金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料的特性及強韌化方法

1、金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料的特性及強韌化方法0 前言金屬間化合物是指金屬與金屬、金屬與類金屬之間以金屬鍵或共價鍵形式結(jié)合而成的化合物。金屬間化合物與一般的化合物是有區(qū)別的。首先，金屬間化合物的組成常常在一定的范圍內(nèi)變動；其次金屬間化合物中各元素的化合價很難確定，而且具有顯著的金屬鍵性質(zhì)。金屬間化合物于20世紀(jì)30年代被發(fā)現(xiàn)，但由于其在室溫下脆性大，延展性極差，很容易斷裂，缺乏實用價值。經(jīng)過50多年的實驗研究，人們發(fā)現(xiàn)，含有少量類金屬元素例如硼元素的金屬間化合物其室溫延展性大大提高，從而拓寬了金屬間化合物的應(yīng)用領(lǐng)域。另外，金屬間化合物與金屬及合金材料相比，金屬間化合物具有極好的耐高溫及耐磨損性能，高溫

2、下會使其硬度增加，是耐高溫及耐高溫磨損的新型結(jié)構(gòu)材料。但金屬間化合物要在商業(yè)中推廣應(yīng)用則必須提高合金的塑性、強度，克服室溫脆性及解決合金成形等問題。1 金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料的特性1金屬間化合物的塑性差、室溫脆性及r特性與其原子排列、晶胞大小、結(jié)合鍵類型、晶界結(jié)合力及位錯運動等有關(guān)。(1) 金屬間化合物的溶質(zhì)與溶劑原子按固定原子比例排列，是長程有序，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對稱性低，單位晶胞大，位錯的柏氏矢量大，是造成塑性差的重要原因之一。當(dāng)單個位錯掃過長程有序晶體即留下一條反相疇界，使有有序結(jié)構(gòu)破壞。如以超位錯，即兩個全位錯中夾一片反相疇界而整體運動，長程有序的原子排列不會發(fā)生改變，兩個全位錯分解為四個偏位

3、錯，每對偏位錯夾有堆垛層錯。這種位錯組態(tài)將導(dǎo)致低塑性。(2) 室溫脆性成為工程應(yīng)用的主要障礙，其脆性主要表現(xiàn)在三方面：其一是與共價鍵有關(guān)的內(nèi)稟屬性成為本征脆性；其二是晶界強度過低造成沿晶脆斷稱為晶界脆性；其三是環(huán)境如h2o、h2、o2作用使塑性急劇下降。(3) 金屬間化合物合金屈服強度通常隨溫度升高而提高，達峰值后則下降，稱為r特性。此特性存在多種機制，面心立方可用交滑移機制來解釋。原因是ni3al中反相疇界能各向異性，隨溫度升高，在熱激活下位錯由11交滑移到100，這是因為100的反相疇界能低。然而，由于100不是滑移面，高溫時位錯在該面上不能滑移，故使強度隨溫度升高二升高。其峰值溫度取決于

4、反相疇界能、堆垛層錯能、高溫滑移系開動等因素，一旦開動即再度強度下降。2 金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料強韌化方法金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料強韌化方法有很多，通常有微量元素合金化，主量元素合金化，控制微觀組織，纖維強韌化，快速凝固細化晶粒等方法。2.1 微合金化法通常加入質(zhì)量分數(shù)小于1%b、fe、c、hf、mn等元素，不使晶格類型、變形模式變化，改變晶界結(jié)構(gòu)，不析出有害相，抑制雜質(zhì)影響，提高結(jié)合強度。文獻2總結(jié)了各種微量元素對金屬間化合物抗環(huán)境氫脆的機理：1)鐵可以有效抑制co3ti合金中由水汽誘發(fā)的環(huán)境氫脆，其機理是鐵原子抑制了合金與水汽的表面反應(yīng)；2)硼可以完全抑制有序態(tài)ni3fe合金中由氫氣誘發(fā)的環(huán)境氫

5、脆，其機理是硼原子偏聚在晶界上，降低了合金的晶粒尺寸，提高了合金的晶界強度，顯著降低了氫原子的沿晶擴散系數(shù)；3)適量的稀土元素對nial合金進行微合金化，可以明顯改善nial合金的室溫塑性，而且還可明顯增加nial合金的室溫強度。郭建亭3等總結(jié)了稀土元素改善nial共晶合金室溫壓縮強度和塑性都和提高高溫壓縮強度和變形能力的機理：1)稀土元素使共晶胞的細化和層片間距的減小是主要原因；2)稀土元素偏聚于晶界和相界，可以消除晶界雜質(zhì)，提高晶界結(jié)合力，改善晶界強度與塑性；3）稀土元素的原子半徑較大，偏聚于晶界，降低晶界的有序度，減少ni-ni、a1-al和ni-al之間的共價鍵，從而增加塑性；4）稀土

6、元素的原子代替ni和al原子，產(chǎn)生固溶強化。2.2 主量元素合金化通常添加1%以上的元素，要使其改變晶格類型，使晶胞變小和提高對稱性；促使滑移系開動，產(chǎn)生韌性第二相；產(chǎn)生韌性相；抑制環(huán)境脆性。例如體心立方ti3al加入穩(wěn)定元素nb，可使塑性提高到3%。高nb-tial合金具有遠高于普通tial合金的強度，特別是很高的高溫強度，同時保持相同的塑性。nb強韌化的理論基礎(chǔ)包括：(1)nb降低tial合金的層錯能，從90mj/m2降低到5060mj/m2；4(2)nb使相中含al量降低，亞al量tial中含有高濃度的nb/al反位原子缺陷5；(3)nb促進普通位錯的釘扎現(xiàn)象，促進孿晶位錯開動與交截。在

7、do22型al3ti中加入適量的鎳、銅、鐵、鉻、錳、銀或鋅等元素來置換al3ti中的鋁原子，可獲得穩(wěn)定的l12型晶體結(jié)構(gòu)al3ti基金屬間化合物6，它是面心立方有序結(jié)構(gòu)，對稱性好為塑性變形提供了足夠的有效滑移系。2.3 控制微觀組織或復(fù)合強化材料的性能隨材料的組織的變化而變化，如隨晶粒的細化，材料強度線性增加，且大面積的界面將提供足夠的晶界滑移機會，導(dǎo)致變形增加，材料的韌性也將顯著增加。故可通過改變材料的微觀組織來提高金屬間化合物的強韌性。zhu等7通過ma-hip技術(shù)獲得了晶粒尺寸為200nm的fe3al金屬間化合物，其室溫壓縮應(yīng)變高達39%。以上研究結(jié)果說明晶粒尺寸納米化能夠有效提高fe3

8、al金屬間化合物室溫塑性。然而minamino等8用ma-sps技術(shù)所制備的晶粒尺寸為80nm的fe3al金屬間化合物室溫壓縮應(yīng)變僅為14%，這說明晶粒尺寸的進一步減小反而不利于其室溫塑性的提高。另外morris-muoz等9對納米fe-al金屬間化合物室溫斷裂韌性的研究同樣發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸小于40nm時，室溫韌性反而下降。對工程tial合金的成分來說，首先要控制鋁含量，為得到雙相合金，對鋁含量必須小于48%，單相-tial合金室溫拉伸延伸率一般小于1%，合金化后雙相tial合金室溫拉伸延伸率可達l%4%，室溫屈服強度一般在500600mpa。將合金進一步用w，si，c，b合金化，可進一步提高高

9、溫強度，細化晶粒10。傅云義11等研究發(fā)現(xiàn)，在l12型al67mn8ti25中添加0.5%2%nb，析出了do22結(jié)構(gòu)的第二相al3(ti，nb)，能起到強韌化作用。inoue m等12采用(ma+hp方法制備了al2o3、sic、tic和tib2增強feal(fe-40al)金屬間化合物復(fù)合材料，復(fù)合材料的強度有明顯提高，但韌性有所下降。2.4 先進制備技術(shù)為了提高金屬間化合物的強韌性，除了對它的各種強化機理進行深入的研究，還需對其的制備工藝進行研究，才能真正實現(xiàn)金屬間化合物的推廣應(yīng)用?，F(xiàn)如今制備金屬間化合物的方法除了傳統(tǒng)的熔鑄，國內(nèi)外的研究者還提出了先進熔鑄法、快速凝固法、自燃燒高溫合成法

10、、機械合金化、沖擊波成型法、加測壓的擠壓技術(shù)、超塑性成型技術(shù)、陶瓷纖維增強復(fù)合法及各種工藝的復(fù)合制備技術(shù)等。郭建亭13等利用機械合金化制備的納米晶nial，其室溫壓縮屈服強度和壓縮變形量分別是鑄態(tài)和擠壓態(tài)的2倍多和1.8倍。李博14通過加入不同含量的合金元素co，采用機械合金化方法制成niai(co)納米晶合金，其室溫屈服強度提高2倍，壓縮塑性達到3%4%。趙希宏15等采用鑄造方法制備的tib2強化的nial基合金在800時的屈服強度可達到284mpa。齊義輝16等對nial-33.5cr-0.5zr多相金屬間化合物分別進行鑄造和熱等靜壓處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)熱等靜壓處理后，合金的高溫壓縮屈服強度

11、比普通鑄造合金明顯增加，1273k時壓縮屈服強度由高應(yīng)變速率時增加約50到低應(yīng)變速率時增加約1倍，1373k時壓縮屈服強度增加的幅度略小。陳善俊17等采用自懸浮定向流法制備了20110nm之間的球形ag2al復(fù)合金屬間化合物的納米微粉。馬瑞18等利用采用真空熱壓燒結(jié)工藝直接燒結(jié)fe、si混合粉末制備了fe3si金屬間化合物，但并沒有達到理論的密度。3 結(jié)束語金屬間化合物具有許多優(yōu)異的性能(特別是高溫性能)，但是其低塑性和低的斷裂韌性阻礙了其應(yīng)用的進程。目前，人們采用各種強韌化方法使其塑性和韌性得到了極大的改善，但還存在一定的不足。因此，從研究各種方法的強韌化機理和尋找更有效、易行的強韌化方法仍

12、然是其得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。參考文獻1 周瑞發(fā), 韓雅芳, 李樹索. 高溫結(jié)構(gòu)材料m. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2006.2 陳業(yè)新. 金屬間化合物的環(huán)境氫脆j. 上海大學(xué)學(xué)報, 2011, 17(4): 487-502. 3 郭建亭, 周蘭章, 李谷松. 高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物及其強韌化機理j. 中國有色金屬學(xué)報, 2011, 21(1): 1-34. 4 song x p, chen g l. determination of the stacking fault energy in high-nb-tialj. journal of materials science letters, 2

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