结构金属间化合物的国内外研究分析及其超塑性的研究
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摘要
超塑性是具有点阵结构的材料的普遍潜在属性，是材料变形失稳后能重新建立起的稳定的变形过程，其微观物理过程主要是晶界行为，晶界的滑移、迁移和移位。超塑性的实现是材料的内在条件和外在条件相协调的结果。先进的超塑材料，有陶瓷、金属间化合物、铝锂合金等。
金属间化合物由金属元素与类金属元素形成，原子长程有序排列，原子间金属键及共价键共存，可同时兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度，是一类低密度、高熔点、性质介于金属与陶瓷之间的有序结构化合物，是航空、航天、交通运输、化工、机械等工业部门的重要结构材料和半导体、磁性、储氢、超导等方面的功能材料。
金属间化合物作为结构材料的基本特色是在室温下有高的比强度，且高温也能保持。近十多年来，先进工业国家，如美、日、欧洲诸国都制定了全国性的研究计划发展金属间化合物，特别重视发展一种介于Ni基高温合金和高温陶瓷材料之间的高温结构材料，以便在温度和机械性能上都能填充Ni基高温合金和高温陶瓷材料之间的空隙。
金属间化合物普遍存在脆性问题，加工性能非常差。超塑性成形为金属间化合物的加工成形提供了可行的途径。本文目的是为后续的金属间化合物的超塑性研究做前期工作，使超塑性研究的新领域——硬脆性结构材料的研究得以延伸和扩展。
金属间化合物的种类有铝化物、硅化物、难熔金属间化合物等，国内外的研究集中于铝化物和硅化物两种体系。铝化物包含Ni-Al、Ti-Al、Fe-Al等，硅化物包括Mo-Si、Fe-Si、Ni-Si等。金属间化合物结构材料的基本力学性能特征是：1)屈服强度随温度升高而提高，即R现象；2)脆性——本征脆性和环境脆性。脆性问题是影响金属间化合物走向实用化的最严重的
问题。铝化物的晶体结构比硅化物简单，晶体对称性高，且材料的脆性问题没有硅化物严重。从应用的角度看，以铝化物体系为主。
Ni-Al系中有Ll2型Ni3Al和B2型NiAl两种化合物。Ni3Al基合金有晶体结构，熔点高、抗高温氧化性好，在一定的温度范围内，呈R特性。现研究的Ni3Al合金的成分范围一般为Ni-14/18Al-6/0Cr-1/4Mo-0.1/1.5Zr或Hf-0.01/0.02B (原子分数，%)。可由熔铸工艺或粉末冶金法生产。围绕Ni3Al开发的商业合金牌号有美国的IC-50、IC-218、IC-221M和MX-246等，我国北京航空材料研究院也自主开发了Ni3Al基的IC-6合金。Ni3Al基合金可应用于涡轮发动机燃烧室、柴油机增压器等。
NiAl合金熔点高，密度低，抗环境性能好，导电率高，弹性模量高，在韧-脆转变温度以上具有类似金属的性能。多晶NiAl合金经调整铝含量和铁合金化得到Ni-20Al-30Fe和Ni-30Al-20Fe双相组织合金系列。无坩埚区域熔炼技术，可制备出大尺寸的NiAl单晶。惰性气体冷凝法和机械合金化法可制备大块纳米晶体NiAl材料。多晶NiAl常常是利用常规PM技术或铸件+挤压技术进行制备。美国通用电器(GE)公司已开发了NiAl合金单晶叶片，用于新一代喷气发动机。
Ti-Al系化合物主要包括Ti3Al和TiAl，低密度、高的高温强度和抗蠕变性能使其特别适合于航空航天应用，是目前研究得最多的合金系。Ti3Al工程合金多以Ti-24/25Al-11Nb为基础合金，有双相α2＋β组织。国内结合现有熔炼设备，开发了真空自耗炉双联工艺等，可获得成分均匀的Ti3Al合金铸锭。Ti3Al可应用于高压涡轮启动器支撑环，燃烧室末端环件等。
TiAl基合金的力学性能对成分和显微组织敏感，一般以Ti-45/48Al为基础合金，得到γ-TiAl+α2-Ti3Al双相组织。目前发展出的TiAl成分范围大致是，Ti-45/48Al-0/5X-0/2Z (M＝Cr、Mn、V，X＝Nb、Ta、W，Z＝Si、B、C、N)。TiAl合金室温塑性较差，通常采用一些特殊的加工工艺，以很低的速度进行挤压和等温锻造，以加工成形。TiAl合金可应用于涡轮发动机叶片、涡轮增压器、汽车阀门、压气机部件等。
Fe-Al系有DO3结构的Fe3Al和B2结构的FeAl两种化合物。Fe3Al合金的力学性能明显依赖于铝含量、温度、成分、相结构等，一般以Fe-28Al-5Cr-B为基础，再加若干强化元素组成。表面镀锰、铬、铜和镍等元素可明显提高延伸率，消除氢脆。是替代不锈钢的理想材料，可在加热炉(800(C)和输油管等腐蚀性环境中应用。FeAl强度高，耐腐蚀抗氧化性能优异，Cr、Zr、B和C等合金化可改善其存在的严重的水汽环境脆性。Fe-Al系化合物的制备常规方法有：急冷薄带、粉末冶金或铸锭热挤压、滴铸、真空熔炼法以及制成单晶。FeAl基合金可制成煤气炉热交换器管件。
硅化物以其优异的高温抗氧化性和导电、传热性，作为高温抗氧化涂层，集成电路电极薄等功能用材料已进行了广泛研究并获得应用。MoSi2有极好的抗氧化性和高熔点，已在高温电炉发热元件和高温抗氧化涂层等方面得到了工业化应用，可望作为航空涡轮发动机构件的极佳候选材料。
金属间化合物的超塑性有细晶(Ni3Al，Ni3Si，TiAl，Ti3Al，Co3Ti)和粗晶(Fe3Al，FeAl，Fe3Si)超塑性，部分NiAl、TiAl基合金中也有大晶粒超塑性行为。金属间化合物细晶超塑性的变形特征可用常规细晶材料超塑方程描述，但变形过程中位错滑移的作用较常规金属显著；大晶粒超塑性在金属间化合物中具有一定的普遍性，这些现象产生的根本原因在于金属间化合?
Superplasticity is the general potential property of materials of lattice structure. It’s a process that materials establish a stable deformation course after they are deformed and become unstable. It’s mostly a boundary behavior, i.e. boundary gliding, transferring and shifting occurred as a microcosmic physical behavior. Realization of superplasticity is the result of harmonization between intrinsic and extrinsic qualification of material. Ceramic, intermetallic compounds, and alloys of aluminium and lithium et al, are all advanced materials of superplasticity。Intermetallic compounds are formed by tantalum and metalloid, its atoms are arranged in the form of big length and high order, and its metal bonds and covalent bonds are coexisting. Therefore, it has not only the better plasticity of metal but also the intension of ceramic under high temperature. Intermetallic compounds are important constructional materials for industry such as aviation, 超塑性aceflight, traffic, chem. , mechanism et al, also they are functional meterials for semiconductor, magnetism, hydrogen storing, superconductor et al, because of their low-density, high-melting point, and the property between metals and ceramic.The basic characteristic of intermetallic compound as a constructional material is its high 超塑性ecific intension under room temperature, and the ca capability of be maintained under high temperature. During the last few decades, American, Japan, and other Europe countries advanced in industry have all established nationally research projects to develop intermetallic compounds.hey have all attached importance to developing a constructional materials under high temperature that is intervenient between Ni-based alloys and ceramic under high temperature, aiming at filling in the inter超塑性ace between Ni-based alloys and ceramic under high temperature on temperature and mechanical property.Intermetallic compound has generally a problem that it is brittle which leads to a poor capability to be machined. Shaping by superplasticity offers it a feasible way for machining. My thesis aims at offering a prophase work for the following study on superplasticity of intermetallic compound, which stretches and extends fields of superplasticity on hard and brittle materials.Intermetallic compounds are composed of compounds of aluminium and silicon, and intermetallic compounds hard to be melted, and the study throughout international is focused on the former two. Compounds of aluminium include Ni-Al, Ti-Al and Fe-Al et al, compounds of silicon include Mo-Si、Fe-Si and Ni-Si et al. As constructional materials , intermetallic compounds have following basic mechanical properties: 1) yielding intension increases with temperature elevating, as called phenomena R; 2) brittleness—intrinsic brittleness and environment embrittlement. The problem of brittleness is the most important infection that influences the developing tends towards practicality. Contrasting with compounds of silicon, the Crystal structure of compounds of aluminium is more simple and more symmetrical, besides, it has less sever brittleness. From these points, compounds of aluminium are the primary applied materials. System Ni-Al has two compounds of Ll2-type Ni3Al and B2-type NiAl. Ni3Al- based alloy has high-melting point and good ability of oxidation resisting. Between certain temperatures, Ni3Al- based alloy has the characteristic called phenomena R. Ni3Al- based alloy studied currently has ollowing composition as Ni-14/18Al-6/0Cr- 1/4Mo- 0.1/1.5Zr or Hf-0.01/0.02B (atom percent, %). Ni3Al- based alloy can be made by fuse melt or powder metallurgy. Alloys developed by Ni3Al are IC-50、IC-218, IC-221M and MX-246 et al. The academe of aviation material of Peking in our country has also developed Ni3Al- based alloy IC-6 independently。Ni3Al- based alloy can be applied for engine firebox of turbine and supercharger of diesel engine.NiAl- based alloy has high-melting point , low-density, good ability of oxidation resisting, high-conductivity , big E value, and has an an
金属间化合物由金属元素与类金属元素形成，原子长程有序排列，原子间金属键及共价键共存，可同时兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度，是一类低密度、高熔点、性质介于金属与陶瓷之间的有序结构化合物，是航空、航天、交通运输、化工、机械等工业部门的重要结构材料和半导体、磁性、储氢、超导等方面的功能材料。
金属间化合物作为结构材料的基本特色是在室温下有高的比强度，且高温也能保持。近十多年来，先进工业国家，如美、日、欧洲诸国都制定了全国性的研究计划发展金属间化合物，特别重视发展一种介于Ni基高温合金和高温陶瓷材料之间的高温结构材料，以便在温度和机械性能上都能填充Ni基高温合金和高温陶瓷材料之间的空隙。
金属间化合物普遍存在脆性问题，加工性能非常差。超塑性成形为金属间化合物的加工成形提供了可行的途径。本文目的是为后续的金属间化合物的超塑性研究做前期工作，使超塑性研究的新领域——硬脆性结构材料的研究得以延伸和扩展。
金属间化合物的种类有铝化物、硅化物、难熔金属间化合物等，国内外的研究集中于铝化物和硅化物两种体系。铝化物包含Ni-Al、Ti-Al、Fe-Al等，硅化物包括Mo-Si、Fe-Si、Ni-Si等。金属间化合物结构材料的基本力学性能特征是：1)屈服强度随温度升高而提高，即R现象；2)脆性——本征脆性和环境脆性。脆性问题是影响金属间化合物走向实用化的最严重的
问题。铝化物的晶体结构比硅化物简单，晶体对称性高，且材料的脆性问题没有硅化物严重。从应用的角度看，以铝化物体系为主。
Ni-Al系中有Ll2型Ni3Al和B2型NiAl两种化合物。Ni3Al基合金有晶体结构，熔点高、抗高温氧化性好，在一定的温度范围内，呈R特性。现研究的Ni3Al合金的成分范围一般为Ni-14/18Al-6/0Cr-1/4Mo-0.1/1.5Zr或Hf-0.01/0.02B (原子分数，%)。可由熔铸工艺或粉末冶金法生产。围绕Ni3Al开发的商业合金牌号有美国的IC-50、IC-218、IC-221M和MX-246等，我国北京航空材料研究院也自主开发了Ni3Al基的IC-6合金。Ni3Al基合金可应用于涡轮发动机燃烧室、柴油机增压器等。
NiAl合金熔点高，密度低，抗环境性能好，导电率高，弹性模量高，在韧-脆转变温度以上具有类似金属的性能。多晶NiAl合金经调整铝含量和铁合金化得到Ni-20Al-30Fe和Ni-30Al-20Fe双相组织合金系列。无坩埚区域熔炼技术，可制备出大尺寸的NiAl单晶。惰性气体冷凝法和机械合金化法可制备大块纳米晶体NiAl材料。多晶NiAl常常是利用常规PM技术或铸件+挤压技术进行制备。美国通用电器(GE)公司已开发了NiAl合金单晶叶片，用于新一代喷气发动机。
Ti-Al系化合物主要包括Ti3Al和TiAl，低密度、高的高温强度和抗蠕变性能使其特别适合于航空航天应用，是目前研究得最多的合金系。Ti3Al工程合金多以Ti-24/25Al-11Nb为基础合金，有双相α2＋β组织。国内结合现有熔炼设备，开发了真空自耗炉双联工艺等，可获得成分均匀的Ti3Al合金铸锭。Ti3Al可应用于高压涡轮启动器支撑环，燃烧室末端环件等。
TiAl基合金的力学性能对成分和显微组织敏感，一般以Ti-45/48Al为基础合金，得到γ-TiAl+α2-Ti3Al双相组织。目前发展出的TiAl成分范围大致是，Ti-45/48Al-0/5X-0/2Z (M＝Cr、Mn、V，X＝Nb、Ta、W，Z＝Si、B、C、N)。TiAl合金室温塑性较差，通常采用一些特殊的加工工艺，以很低的速度进行挤压和等温锻造，以加工成形。TiAl合金可应用于涡轮发动机叶片、涡轮增压器、汽车阀门、压气机部件等。
Fe-Al系有DO3结构的Fe3Al和B2结构的FeAl两种化合物。Fe3Al合金的力学性能明显依赖于铝含量、温度、成分、相结构等，一般以Fe-28Al-5Cr-B为基础，再加若干强化元素组成。表面镀锰、铬、铜和镍等元素可明显提高延伸率，消除氢脆。是替代不锈钢的理想材料，可在加热炉(800(C)和输油管等腐蚀性环境中应用。FeAl强度高，耐腐蚀抗氧化性能优异，Cr、Zr、B和C等合金化可改善其存在的严重的水汽环境脆性。Fe-Al系化合物的制备常规方法有：急冷薄带、粉末冶金或铸锭热挤压、滴铸、真空熔炼法以及制成单晶。FeAl基合金可制成煤气炉热交换器管件。
硅化物以其优异的高温抗氧化性和导电、传热性，作为高温抗氧化涂层，集成电路电极薄等功能用材料已进行了广泛研究并获得应用。MoSi2有极好的抗氧化性和高熔点，已在高温电炉发热元件和高温抗氧化涂层等方面得到了工业化应用，可望作为航空涡轮发动机构件的极佳候选材料。
金属间化合物的超塑性有细晶(Ni3Al，Ni3Si，TiAl，Ti3Al，Co3Ti)和粗晶(Fe3Al，FeAl，Fe3Si)超塑性，部分NiAl、TiAl基合金中也有大晶粒超塑性行为。金属间化合物细晶超塑性的变形特征可用常规细晶材料超塑方程描述，但变形过程中位错滑移的作用较常规金属显著；大晶粒超塑性在金属间化合物中具有一定的普遍性，这些现象产生的根本原因在于金属间化合?
Superplasticity is the general potential property of materials of lattice structure. It’s a process that materials establish a stable deformation course after they are deformed and become unstable. It’s mostly a boundary behavior, i.e. boundary gliding, transferring and shifting occurred as a microcosmic physical behavior. Realization of superplasticity is the result of harmonization between intrinsic and extrinsic qualification of material. Ceramic, intermetallic compounds, and alloys of aluminium and lithium et al, are all advanced materials of superplasticity。Intermetallic compounds are formed by tantalum and metalloid, its atoms are arranged in the form of big length and high order, and its metal bonds and covalent bonds are coexisting. Therefore, it has not only the better plasticity of metal but also the intension of ceramic under high temperature. Intermetallic compounds are important constructional materials for industry such as aviation, 超塑性aceflight, traffic, chem. , mechanism et al, also they are functional meterials for semiconductor, magnetism, hydrogen storing, superconductor et al, because of their low-density, high-melting point, and the property between metals and ceramic.The basic characteristic of intermetallic compound as a constructional material is its high 超塑性ecific intension under room temperature, and the ca capability of be maintained under high temperature. During the last few decades, American, Japan, and other Europe countries advanced in industry have all established nationally research projects to develop intermetallic compounds.
引文
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