先进金属结材料－金属间化合物

1、先进金属结构材料先进金属结构材料 金属间化合物结构材料金属间化合物结构材料北京航空航天大学材料学院北京航空航天大学材料学院school of materials science and engineering, buaa李树索李树索82314488e-mail 主主 要要 内内 容容1. 金属间化合物简介金属间化合物简介2. 金属间化合物的基本结构金属间化合物的基本结构3. 存在问题及解决途径存在问题及解决途径4. ni-al系金属间化合物系金属间化合物5. ti-al系金属间化合物系金属间化合物6. fe-al系金属间化合物系金属间化合物7. 难熔金属间化合物和硅化物难熔金属间化合物和硅化物

2、8. 金属间化合物制备工艺金属间化合物制备工艺1.1.金属间化合物简介金属间化合物简介金属间化合物定义金属间化合物定义金属间化合物金属间化合物：u金属间化合物是由两种或两种以上或金属与类金属组成的金属间化合物是由两种或两种以上或金属与类金属组成的具有整数化学计量比的化合物具有整数化学计量比的化合物，由于其晶体的，由于其晶体的有序结构有序结构以以及及金属键与共价键共存金属键与共价键共存，因而具有一系列独特的优异性能，因而具有一系列独特的优异性能，如密度低、比刚度高；熔点高、高温强度好以及抗氧化性如密度低、比刚度高；熔点高、高温强度好以及抗氧化性能优良等。能优良等。 类金属类金属：h、b、n、s、

3、p、c、si 分分 类类：正常价化合物；电子化合物；间隙化合物；复杂化合物正常价化合物；电子化合物；间隙化合物；复杂化合物utial、ti3al，nial、ni3al，feal和和fe3al是其中的典是其中的典型代表。型代表。金属间化合物简介金属间化合物简介u 金属间化合物材料：金属间化合物材料：一种新型金属材料一种新型金属材料。u 以前所有的金属材以前所有的金属材料，都是以相图料，都是以相图端端际固溶体际固溶体为基体；为基体；u 而金属间化合物材而金属间化合物材料，则以中间部分料，则以中间部分的的有序金属间化合有序金属间化合物物为基体。为基体。金属间化合物高温材料金属间化合物高温材料：u许多

4、金属间化合物的屈服强度随温度升高而提高；许多金属间化合物的屈服强度随温度升高而提高；u密度低，比刚度高；密度低，比刚度高；u铝化物、硅化物还具有良好的铝化物、硅化物还具有良好的抗氧化性能抗氧化性能等；等；u其耐热性能介于其耐热性能介于高温合金和陶瓷材料高温合金和陶瓷材料之间，因此之间，因此是一类很有前景的高温材料。是一类很有前景的高温材料。u室温脆性和高温强度低室温脆性和高温强度低低密度高温结构金属间化合物材料低密度高温结构金属间化合物材料：指比重小于指比重小于8.0g/cm3、使用温度在、使用温度在600以上的一类以上的一类高温结构材料。高温结构材料。金属间化合物简介金属间化合物简介化合物化

5、合物熔点熔点()密度密度应用状况应用状况化合物化合物熔点熔点()密度密度应用状况应用状况nb5si324807.16nbcr216257.66mo5si321808.20 al3nb16074.52ti5si321304.38ti3al16004.20mosi220306.31zral315824.12mo3si20258.97co2zr15608.23nb3al1963*7.29tibe1215522.25nb2al1940*6.80al3ta15506.90nbsi219305.66feal15406.70v3si19256.47tisi215004.04nb2al18716.87tial

6、14603.90nbbe171800*3.23ni3al13977.41ti5ge31800*5.94tini313827.80cr3si17706.46tico13406.60cr2nb17207.68cosi213264.98nbal31680*4.52gh416912608.24ti3sn1680*5.29gh518813009.09nbbe121672*2.48dd613428.90fe2zr16457.69fe3al13205.60zrbe131645*2.72tini13126.00nial16405.88ticr211525.89高温结构材料发展的示意图高温结构材料发展的示意图2

7、 金属间化合物的基本金属间化合物的基本结构和键合特征结构和键合特征晶体结构分为两大类晶体结构分为两大类：ufcc、bcc、hcp衍生结构衍生结构u复杂结构（拓扑密排相复杂结构（拓扑密排相tcp、硅化物复杂、硅化物复杂结构）结构）金属间化合物的基本结构金属间化合物的基本结构l12 亦称亦称cu3au i超点阵超点阵l11 亦称亦称cupt的菱方超结构的菱方超结构l10 或称或称cuau i 超结构超结构fcc衍生结构衍生结构bcc衍生结构衍生结构hcp衍生结构衍生结构do3 超结构超结构b2 ，亦称，亦称 黄铜超点阵黄铜超点阵do19或或mg3cd型超点阵型超点阵 金属间化合物晶体结构金属间化合

8、物晶体结构 复杂结构复杂结构基本结构基本结构l12 (cu3au i超点阵超点阵)u它相当于有四个简单立方点它相当于有四个简单立方点阵穿插形成的点阵，而每一阵穿插形成的点阵，而每一简单立方点阵只被一种原子简单立方点阵只被一种原子占据。已在占据。已在60多个合金系统多个合金系统中发现这种结构。中发现这种结构。u典型的例子有：典型的例子有： ni3al、 al3u、co3v、feni3、 fepd3。aucu基本结构基本结构l11(cupt的菱方超结构的菱方超结构)u有序化后，原面心立方的有序化后，原面心立方的（111）面交替的被）面交替的被cu及及pt原子所占据，晶体结构原子所占据，晶体结构发生

9、变形由立方变成菱方。发生变形由立方变成菱方。cupt是唯一的一个例子。是唯一的一个例子。基本结构基本结构l10（cuau i超结构）超结构）u原面心立方的（原面心立方的（001）交替的分别被交替的分别被cu与与au原子占据，它不再是立原子占据，它不再是立方点阵，而成为四方点方点阵，而成为四方点阵。如：阵。如：agti, tial, fept等等。cuau基本结构基本结构b2 （黄铜超点阵）黄铜超点阵）u有序结构可看成是分别有序结构可看成是分别由由cu及及zn组成的简单立组成的简单立方点阵穿插而成。方点阵穿插而成。u典型的例子有：典型的例子有： -cuzn、-aucd、-nial。基本结构基本结

10、构do3 超结构：超结构：u以以fe3al 为其代表。为其代表。al只占只占x之上，其余为之上，其余为 fe原子所占据。如果增加原子所占据。如果增加al含量，含量，al原子将占据原子将占据y位置位置,直到直到feal成分，成分，al原子占满原子占满x和和y点阵点阵位置，就成为位置，就成为b2结构。结构。另外一个例子是另外一个例子是fe3si。基本结构基本结构do19或或mg3cd型超点型超点阵阵u相当四个密堆六角亚相当四个密堆六角亚点阵穿插组成。其中点阵穿插组成。其中cd占据一个亚点阵，占据一个亚点阵，mg占据三个亚点阵。占据三个亚点阵。基本结构基本结构拓扑密排相（拓扑密排相（tcp相）相）(

11、自学自学) utcp 相必须用若干结构单元描述其晶体结构，即：相必须用若干结构单元描述其晶体结构，即：间隙空洞，原子配位多面体，主骨架和原子层间隙空洞，原子配位多面体，主骨架和原子层等。等。utcp相典型结构类型有相典型结构类型有cr3si(- w)结构，结构，laves相、相、相，以及相，以及, p, r, m, ，等相。等相。utcp相的共同特征是晶体中的间隙完全由四面体空相的共同特征是晶体中的间隙完全由四面体空洞组成，所以他们的结构是高度密排的。洞组成，所以他们的结构是高度密排的。原子配位多面原子配位多面u一个原子的配位多面体是以该原子为中心与围绕它的近邻原一个原子的配位多面体是以该原子

12、为中心与围绕它的近邻原子的中心连线所构成的一个多面体。对于配位数为子的中心连线所构成的一个多面体。对于配位数为12的的fcc和和hcp结构，有结构，有12个近邻原子组成的多面体分别是立方八面体个近邻原子组成的多面体分别是立方八面体(cubo - octahedron)和孪生立方八面体和孪生立方八面体(twinned cubo -octahedron)在空间中有多面体堆垛而成一点阵。在空间中有多面体堆垛而成一点阵。u对于对于tcp结构，我们会碰到第三种配位数为结构，我们会碰到第三种配位数为12的多面体，该的多面体，该多面体全部由三角形的面构成，称为二十面体多面体全部由三角形的面构成，称为二十面体

13、(cn12)。u为了满足为了满足tcp中只能出现四面体空洞的要求，除了许多原子中只能出现四面体空洞的要求，除了许多原子具有二十面体环境外，有些原子必须具有更高的配位体多面具有二十面体环境外，有些原子必须具有更高的配位体多面体的环境。体的环境。主骨架主骨架 u当相邻原子具有五个面配位时每个原子的当相邻原子具有五个面配位时每个原子的cn为为12。称。称cn12的位置为次位置，而的位置为次位置，而cn大于大于12的为主位置。的为主位置。u主位置适合比较大尺寸的原子，它们由主配位线连接，次主位置适合比较大尺寸的原子，它们由主配位线连接，次位置由次配位相连接。位置由次配位相连接。u在这些结构中往往有一个

14、或一个以上由主配位线联结而成在这些结构中往往有一个或一个以上由主配位线联结而成的网格，这些网格总称为结构的主骨架。的网格，这些网格总称为结构的主骨架。原子层原子层 utcp相一般都具有层状结构。相一般都具有层状结构。u主原子层是有一列列原子层构成六角形、五角形主原子层是有一列列原子层构成六角形、五角形和三角形的花样。这种原子层称主原子层。和三角形的花样。这种原子层称主原子层。基本结构基本结构cr3si(- w)结构结构u cr3si相属于相属于- w型的结构，型的结构， cr3si结构一般不总是发生在正结构一般不总是发生在正化学比化学比a3b处。其初基单胞含有处。其初基单胞含有8个原子。设其原

15、点处于中心，个原子。设其原点处于中心，则单胞内原子位置为：则单胞内原子位置为：2个个b原子原子： 0,0,0; 1/2,1/2,1/2; 6个个a原子原子： 1/4,0,1/2; 1/2,1/4,0; 0,1/2,1/4; 3/4,1/2,0; 1/2,3/4,0; 0,1/2,3/4。基本结构基本结构laves相晶体结构相晶体结构ulaves相的分子式为相的分子式为ab2 型，他们的结构都与型，他们的结构都与mg基基的以下三种典型结构相关：的以下三种典型结构相关：mgcu2 ，mgzn2 和和mgni2。相晶体结构相晶体结构u相是在过渡族金属之间形成的一种相是在过渡族金属之间形成的一种tcp

16、相，如相，如 fecr, femo, crmn等。等。 u相的结构几乎与相的结构几乎与- u的结构相同，但由于的结构相同，但由于相不像相不像cr3si和和laves相那样有确定的化学成分，所以人们相那样有确定的化学成分，所以人们并不期望并不期望相具有完全的有序化。相具有完全的有序化。键合特征键合特征u从键合特征这一角度和层次去理解金属间化从键合特征这一角度和层次去理解金属间化合物的相稳定性以及一些重要的力学性能，合物的相稳定性以及一些重要的力学性能，对于有效改善材料性能和更好地进行合金设对于有效改善材料性能和更好地进行合金设计具有重要意义。计具有重要意义。u高温结构金属间化合物，其键合特征既不

17、同高温结构金属间化合物，其键合特征既不同于一般的有序合金，又不同于普通的共价或于一般的有序合金，又不同于普通的共价或离子化合物。离子化合物。键合特征键合特征离子键离子键共价键共价键金属键金属键电荷转移电荷转移成键方向成键方向电荷转移电荷转移u已开展的有关金属间化合物键合特征的研究表明，在多数金已开展的有关金属间化合物键合特征的研究表明，在多数金属间化合物中，尤其是过渡金属铝化物，其成键是金属键与属间化合物中，尤其是过渡金属铝化物，其成键是金属键与共价键的混合，共价键的混合，tm（过渡金属）与（过渡金属）与al所形成的具有共价特所形成的具有共价特征的键合显著影响这类化合物的力学性能及相稳定性。征

18、的键合显著影响这类化合物的力学性能及相稳定性。u同时原子间的键合也具有部分金属间特征，这种成键多存在同时原子间的键合也具有部分金属间特征，这种成键多存在于于tm-tm之间的键合。之间的键合。u但关于金属间化合物中的电荷转移，众多的理论计算结果并但关于金属间化合物中的电荷转移，众多的理论计算结果并不能得出一致的结论，这种不一致不但表现在电荷转移的数不能得出一致的结论，这种不一致不但表现在电荷转移的数目上，也表现在电荷转移的方向上。但却可以大致说明金属目上，也表现在电荷转移的方向上。但却可以大致说明金属间化合物中电荷转移是极其微小的，也即在原子间成键中，间化合物中电荷转移是极其微小的，也即在原子间

19、成键中，离子键的贡献甚微。离子键的贡献甚微。电荷转移电荷转移u以通常的观点看，电荷转移发生的直接原因是成键原子间的以通常的观点看，电荷转移发生的直接原因是成键原子间的电负性差别。电负性差别。u从这一点上看，因为两种原子间的电负性差别，电荷转移将从这一点上看，因为两种原子间的电负性差别，电荷转移将不可避免的发生。有泡里的电负性标度和一些量子力学关于不可避免的发生。有泡里的电负性标度和一些量子力学关于电荷密度的计算结果表明金属间化合物之间存在比较明显的电荷密度的计算结果表明金属间化合物之间存在比较明显的电荷转移，但有些理论计算结果却截然相反。其原因可能是，电荷转移，但有些理论计算结果却截然相反。其

20、原因可能是，电荷转移数目没有我期望的那样多，即目前采用的第一原理电荷转移数目没有我期望的那样多，即目前采用的第一原理对固体电荷密度的计算还有相当多的近似。对固体电荷密度的计算还有相当多的近似。u因此，理论界过的不一致可以大致说明两个问题，其一是在因此，理论界过的不一致可以大致说明两个问题，其一是在这些金属间化合物中电荷转移数目极其微小，其二是微小程这些金属间化合物中电荷转移数目极其微小，其二是微小程度已落在误差范围内。度已落在误差范围内。成键方向性成键方向性u在一些金属间化合物中，在一些金属间化合物中，共价键与金属键共存共价键与金属键共存。众所周知，。众所周知，共价键的一个重要特征是具有方向性

21、，即成键具有一定的取共价键的一个重要特征是具有方向性，即成键具有一定的取向要求。按共价键的成键原理，它应满足三个条件方能形成向要求。按共价键的成键原理，它应满足三个条件方能形成稳定的共价键，即对称性匹配、最大重叠和能量接近。一般稳定的共价键，即对称性匹配、最大重叠和能量接近。一般的，原子轨道的重叠程度可以定量的一重叠积分来表示，记的，原子轨道的重叠程度可以定量的一重叠积分来表示，记为：为： u影响大小的主要因素是影响大小的主要因素是原子间的距离原子间的距离r和和原子轨道的相对取原子轨道的相对取向向。u共价键表现出明显的方向性就主要取决于重叠积分对原子间共价键表现出明显的方向性就主要取决于重叠积

22、分对原子间相对取向的依赖。相对取向的依赖。drsjiij成键方向性成键方向性u在金属间化合物组成原子间存在着具有显著方向性的共价键。在金属间化合物组成原子间存在着具有显著方向性的共价键。如如fox和和tabbemor利用功能电子衍射对利用功能电子衍射对/ nial 的几个低角结的几个低角结构因子进行了精确的测定，所给出的变形电荷密度分布图构因子进行了精确的测定，所给出的变形电荷密度分布图（如下）清楚地显示了（如下）清楚地显示了ni-al之间具有明显方向性的共价键作之间具有明显方向性的共价键作用的存在。用的存在。3 金属间化合金属间化合 物力学性能物力学性能u金属间化合物中不同种类原子的原子间强

23、键合和有金属间化合物中不同种类原子的原子间强键合和有序排列及可能由此导致的晶体结构的低对称性，使序排列及可能由此导致的晶体结构的低对称性，使其原子和位错在高温下的可动性降低，晶体结构更其原子和位错在高温下的可动性降低，晶体结构更加稳定，其结果金属间化合物通常具有加稳定，其结果金属间化合物通常具有优良的高温优良的高温强度和刚度强度和刚度。u但是但是塑性形变比普通金属困难塑性形变比普通金属困难，变形能力介于金属，变形能力介于金属与陶瓷之间。与陶瓷之间。塑性与脆性塑性与脆性塑性低的根本原因：塑性低的根本原因：1、滑移、滑移：对称性低，位错能量高。长的位错伯格：对称性低，位错能量高。长的位错伯格斯矢量

24、、复杂的超位错分解心核结构和低的位错斯矢量、复杂的超位错分解心核结构和低的位错可动性可动性,滑移较难发生滑移较难发生.2、孪生、孪生：当滑移受到限制时发生。在立方超点阵：当滑移受到限制时发生。在立方超点阵中，因需要原子重排或其孪生切变矢量大，形变中，因需要原子重排或其孪生切变矢量大，形变孪生将是非常困难的。孪生将是非常困难的。塑性与脆性塑性与脆性u因此，有序金属间化合物因其原子间的强键合和原子的可动因此，有序金属间化合物因其原子间的强键合和原子的可动性低而显示优良的性低而显示优良的高温强度。高温强度。u同时因可开动独立滑移系数量较少或脆弱的晶界而显示同时因可开动独立滑移系数量较少或脆弱的晶界而

25、显示室温室温脆性。脆性。u金属间化合物一个引人注意的特性：金属间化合物一个引人注意的特性：屈服强度随温度的异常提高现象屈服强度随温度的异常提高现象如，如，ni3al，co3ti，fe3alu目前，目前，l12超点阵的流变应力与温度的依赖关系研究的最为深超点阵的流变应力与温度的依赖关系研究的最为深入。主要包括入。主要包括cu3au，ni3al，fe3ga等。等。金属间化合物的屈服金属间化合物的屈服强度反常温度关系强度反常温度关系塑性与强度塑性与强度l12型化合物中的流变应力的温度依赖关系可分为三种型化合物中的流变应力的温度依赖关系可分为三种ua、很强的反常流变，、很强的反常流变，cu3au，pt

26、3mnub、高温下不显示或显示很弱的反常流变现象，但在低温流变、高温下不显示或显示很弱的反常流变现象，但在低温流变应力随温度降低迅速升高，应力随温度降低迅速升高，pt3al，pt3ga。uc、与普通金属类似，流变应力表现负的温度依赖关系、与普通金属类似，流变应力表现负的温度依赖关系fe3ge，ir3cr。bca应应力力形变温度形变温度塑性与强度塑性与强度l12型化合物另一个特征是：型化合物另一个特征是：u屈服应力表现为拉伸屈服应力表现为拉伸/压缩不对称性，并强烈压缩不对称性，并强烈依赖于晶体取向。依赖于晶体取向。111011001113012ctct断断 裂裂u绝大多数金属间化合物在绝大多数金

27、属间化合物在室温显示脆断室温显示脆断，即，即不存在缩颈，裂纹扩展方向和加载轴垂直，不存在缩颈，裂纹扩展方向和加载轴垂直，从而获得平断口，微观断口形貌一般为沿晶、从而获得平断口，微观断口形貌一般为沿晶、解理或两者混合。解理或两者混合。脆性原因：脆性原因：u结构特征：结构特征：v电负性之差：两种过渡金属构成的电负性之差：两种过渡金属构成的a3b型化合物型化合物（ni3mn）两种金属之间的电负性相差极小，故显示韧）两种金属之间的电负性相差极小，故显示韧性。（不能完全解释）性。（不能完全解释）u结构特征：结构特征：v原子价之差：原子价之差越大，韧性越好。原子价之差：原子价之差越大，韧性越好。v键的方向

28、性：晶界处的原子排列不规则，这种几何畸变就键的方向性：晶界处的原子排列不规则，这种几何畸变就会使键的方向性受到破坏，从而使晶界原子的结合力比晶内会使键的方向性受到破坏，从而使晶界原子的结合力比晶内更低。更低。v晶体结构的复杂性：结构越复杂，脆性越大。位错矢量及晶体结构的复杂性：结构越复杂，脆性越大。位错矢量及位错运动阻力大。位错运动阻力大。u滑移特征：滑移特征：v独立滑移系少独立滑移系少v不能发生交滑移不能发生交滑移v滑移的不均匀，应力集中滑移的不均匀，应力集中v加工硬化率越高，微裂纹形核率高加工硬化率越高，微裂纹形核率高断断 裂裂晶界特征晶界特征：晶界原子结合力比晶内更弱：晶界原子结合力比晶

29、内更弱环境影响环境影响：含：含h2o环境中产生环境中产生h脆脆 含含o2或真空中塑性韧性提高或真空中塑性韧性提高 应力状态应力状态：在三向压缩下韧性升高；：在三向压缩下韧性升高； 在存在缺口时脆性增加在存在缺口时脆性增加蠕变与疲劳蠕变与疲劳u不同结构的金属间化合物蠕变行为不同不同结构的金属间化合物蠕变行为不同vl12型：初始蠕变和逆蠕变均具有正常的温度依赖性，即随型：初始蠕变和逆蠕变均具有正常的温度依赖性，即随温度升高，蠕变抗力降低。温度升高，蠕变抗力降低。vb2型：具有强烈的各向异性型：具有强烈的各向异性vl10型：应力高时，蠕变曲线具有通常的形态，第一阶段蠕型：应力高时，蠕变曲线具有通常的

30、形态，第一阶段蠕变后有稳态蠕变；应力中等时，在第一阶段蠕变后只有很短变后有稳态蠕变；应力中等时，在第一阶段蠕变后只有很短的稳态蠕变，随后是加速（逆）蠕变。低应力时，在很短的的稳态蠕变，随后是加速（逆）蠕变。低应力时，在很短的第一阶段蠕变后是逆蠕变阶段。第一阶段蠕变后是逆蠕变阶段。vdo19型：研究较少型：研究较少u疲劳疲劳以以ni3al为例为例对于低周疲劳：对于低周疲劳：ni3al优于其它几种工业合金优于其它几种工业合金目前，蠕变与疲劳的研究尚处于初步阶段目前，蠕变与疲劳的研究尚处于初步阶段。u金属间化合物长期以来未能发展成为一类有实用价金属间化合物长期以来未能发展成为一类有实用价值的工程结构

31、材料，最主要的障碍是值的工程结构材料，最主要的障碍是常温脆性常温脆性问题。问题。u不同类材料脆性的原因是不同的，有些是由于不同类材料脆性的原因是不同的，有些是由于晶界晶界脆性脆性引起的，如多晶引起的，如多晶ni3al等，不少是由于等，不少是由于晶体结构造晶体结构造成的，对称性低和复杂的晶体中滑移系不足成的，对称性低和复杂的晶体中滑移系不足是导致脆是导致脆性的一个重要的因素，也可能是由其它因素导致的，性的一个重要的因素，也可能是由其它因素导致的，如如环境致脆环境致脆。 存在的问题存在的问题存在的问题存在的问题本征脆性：本征脆性：u一种固有脆性一种固有脆性。金属间化合物具有特殊的晶体结构、电子结构

32、。金属间化合物具有特殊的晶体结构、电子结构和能带结构，所以具有优异性能的同时，也具有固有脆性的特性。和能带结构，所以具有优异性能的同时，也具有固有脆性的特性。本征脆性本征脆性一是由于金属间化合物晶体中的共价键所致一是由于金属间化合物晶体中的共价键所致，二是由于二是由于其晶体结构复杂、对称性低、滑移系少、位错运动困难其晶体结构复杂、对称性低、滑移系少、位错运动困难。环境脆性：环境脆性：u由环境介质造成的金属间化合物的脆性由环境介质造成的金属间化合物的脆性。原因是。原因是大气中的氧在大气中的氧在600-850 易被吸附在试样表面，在应力作用下氧原子渗入晶易被吸附在试样表面，在应力作用下氧原子渗入晶

33、界，导致晶界结合力降低，塑性下降。界，导致晶界结合力降低，塑性下降。又如又如fealfeal等在蒸气环境中等在蒸气环境中进行拉伸实验，塑性趋于零，原因是进行拉伸实验，塑性趋于零，原因是水汽与铝作用而放出溶解氢水汽与铝作用而放出溶解氢进入合金造成氢脆进入合金造成氢脆。解决途径解决途径u为了解决金属间化合物的脆性问题，长期以来进行为了解决金属间化合物的脆性问题，长期以来进行了许多基础性研究和实验工作，但成效不大。了许多基础性研究和实验工作，但成效不大。u直到直到70年代中后期才有突破，美国橡树岭国家实验年代中后期才有突破，美国橡树岭国家实验室室c.t.liu发现了在发现了在六方结构六方结构的的co

34、3v中，用中，用ni和和fe取取代部分代部分co，可使其转变成，可使其转变成面心立方面心立方l12结构结构，使原来，使原来脆性的材料转变成具有良好塑性的材料。脆性的材料转变成具有良好塑性的材料。 u我国学者在我国学者在60年代已证明年代已证明单晶体单晶体ni3al具有较高的塑性具有较高的塑性，但，但多多晶体晶体ni3al呈脆性。呈脆性。u为了解决多晶体为了解决多晶体ni3al的常温脆性，日本东北大学的和泉修等的常温脆性，日本东北大学的和泉修等在在70年代末通过加年代末通过加0.02-0.03wt% b，可使室温拉伸延伸率由，可使室温拉伸延伸率由0提高至提高至40-50%。u通过这些重大突破，使

35、材料科技工作者看到了脆性金属间化通过这些重大突破，使材料科技工作者看到了脆性金属间化合物塑化的希望，看到了金属间化合物成为实用工程材料的合物塑化的希望，看到了金属间化合物成为实用工程材料的前景，因而在世界范围内掀起了一股研究金属间化合物高温前景，因而在世界范围内掀起了一股研究金属间化合物高温材料的热潮，各国都投入了大量研究力量，在不同层次上开材料的热潮，各国都投入了大量研究力量，在不同层次上开展研究工作，先后突破了展研究工作，先后突破了ti3al、fe3al、tial等金属间化合物等金属间化合物的脆性问题，使这些材料向工程实用跨出了关键性的一步。的脆性问题，使这些材料向工程实用跨出了关键性的一

36、步。 解决途径解决途径u但脆性问题基本得到解决后，要使这些合金成为可实际应用的但脆性问题基本得到解决后，要使这些合金成为可实际应用的工程材料，还需解决一系列问题，如进一步提高工程材料，还需解决一系列问题，如进一步提高室温和高温强室温和高温强度度，改善，改善工艺性能工艺性能，改善，改善疲劳和缺口敏感性疲劳和缺口敏感性以及长时使用以及长时使用组织组织稳定性稳定性等综合性能，进一步改进等综合性能，进一步改进抗氧化、抗腐蚀性能抗氧化、抗腐蚀性能还需进一还需进一步开展工作。步开展工作。解决途径解决途径1 1 合金化合金化u 向金属间化合物中加入合金化元素，来改善或提高合金的微观向金属间化合物中加入合金化

37、元素，来改善或提高合金的微观组织、高温强度、室温塑性以及高温抗氧化性能等。其中所应组织、高温强度、室温塑性以及高温抗氧化性能等。其中所应用的强化或者增韧机制主要有用的强化或者增韧机制主要有: : a.a.固溶强化固溶强化 b.b.沉淀强化沉淀强化 c.c.强化晶界强化晶界 v 如在微合金化过程中加入一定量的如在微合金化过程中加入一定量的b b，通过，通过b b向晶界偏聚起强化向晶界偏聚起强化晶界的作用。晶界的作用。v 此外，加入伪共晶形成元素，形成伪共晶组织从而改善合金的此外，加入伪共晶形成元素，形成伪共晶组织从而改善合金的室温韧性和高温强度等性能室温韧性和高温强度等性能; ;加人一定量的合金

38、化元素，形成塑加人一定量的合金化元素，形成塑性第二相，起到塑化作用。性第二相，起到塑化作用。具体方法：具体方法：2 2 制备多相合金制备多相合金u通过向脆性金属间化合物基体中引人塑性第二相来达到韧化通过向脆性金属间化合物基体中引人塑性第二相来达到韧化基体的目的。基体的目的。u目前，研究得较为广泛的多相合金体系有目前，研究得较为广泛的多相合金体系有:vni-25al-25cr(nial基体基体+-cr,-ni(al,cr),-ni3(al,cr)三三元共晶体元共晶体+ -cr沉淀相沉淀相), nial-30fe(相相+相相), nial-28cr-5mo-1hf (nial ()相相+cr(mo

39、)相相+ni2a1hf ( heusler )相相)和和-nial+ -ni3al两相合金两相合金等。等。具体方法：具体方法：3 3 制备复合材料制备复合材料u 制备复合材料也被认为是非常有效的方法之一。目前的工艺制备复合材料也被认为是非常有效的方法之一。目前的工艺方法主要有机械合金化方法主要有机械合金化+热压或热等静压、铸造法、反应热热压或热等静压、铸造法、反应热压法等。通常采用的增强相有压法等。通常采用的增强相有:hfc，tib2和和tc。4 4 改进制备工艺改进制备工艺v定向凝固定向凝固v机械合金化机械合金化v热压或热等静压热压或热等静压v微晶涂层微晶涂层具体方法：具体方法：u目前工程应

40、用有实用价值和有潜力、有前景的金属间化合物目前工程应用有实用价值和有潜力、有前景的金属间化合物中：中：vni-al系、系、ti-al系、系、fe-al系金属间化合物，无论是系金属间化合物，无论是a3b型型或或ab型，大部分合金的脆性问题得到一定程度的突破和解型，大部分合金的脆性问题得到一定程度的突破和解决，为工程应用创造了必要的前提。决，为工程应用创造了必要的前提。u硅化物和难熔金属间化合物的工作温度更高，有可能成为今硅化物和难熔金属间化合物的工作温度更高，有可能成为今后高温合金的后继材料，满足航空工业发展对工作温度更高后高温合金的后继材料，满足航空工业发展对工作温度更高材料的要求，很有发展前

41、景，但要解决这些金属间化合物的材料的要求，很有发展前景，但要解决这些金属间化合物的脆性和改善综合性能脆性和改善综合性能，难度很大，任务十分艰巨。，难度很大，任务十分艰巨。 4、ni-al系金属间化合物系金属间化合物nial金属间化合物的发展历史金属间化合物的发展历史u从从50年代开始，金属间化合物年代开始，金属间化合物ni3al就作为就作为ni基高温合金中的基高温合金中的强化相（强化相（相）得到广泛的研究。这种有序强化相保证了相）得到广泛的研究。这种有序强化相保证了ni基高温合金的高温强度和蠕变强度。基高温合金的高温强度和蠕变强度。u不同于传统的固溶强化合金，有序结构的不同于传统的固溶强化合金

42、，有序结构的ni3al合金具有一些合金具有一些特殊的力学性能，特别是其反常的屈服强度温度关系，高特殊的力学性能，特别是其反常的屈服强度温度关系，高的形变硬化率等引起了材料研究人员的很大兴趣。的形变硬化率等引起了材料研究人员的很大兴趣。u二十年前，二十年前，aoki和和izumi发现加入微量发现加入微量b可改善多晶可改善多晶ni3al的室的室温脆性，这使温脆性，这使ni3al克服了工程应用的最大障碍，从而再次引克服了工程应用的最大障碍，从而再次引起了人们对起了人们对ni3al合金展开深入的研究工作。合金展开深入的研究工作。u 经过近二十年的努力，经过近二十年的努力， ni3al基合金作为发动机热

43、端结构件、基合金作为发动机热端结构件、耐烧蚀件和水机耐汽蚀防护材料已得到了应用，正在成为新耐烧蚀件和水机耐汽蚀防护材料已得到了应用，正在成为新一代工程结构材料。一代工程结构材料。nial金属间化合物的发展历史金属间化合物的发展历史u 然而，由于在实际应用的然而，由于在实际应用的ni3al基合金大多引入一定量的基合金大多引入一定量的相，相，因而在密度及熔点上比传统因而在密度及熔点上比传统ni基合金提高的幅度还很有限，还基合金提高的幅度还很有限，还不能满足具有更高热效率和更大推重比的下一代更新型发动机不能满足具有更高热效率和更大推重比的下一代更新型发动机的需要。的需要。u 因此，国内外许多材料研究

44、工作者把目光越来越多的集中在因此，国内外许多材料研究工作者把目光越来越多的集中在nial基合金上。在这一合金中通过引入颗粒的第二相强化或析基合金上。在这一合金中通过引入颗粒的第二相强化或析出强化使其高温强度大幅度提高，特别是通过析出强化的出强化使其高温强度大幅度提高，特别是通过析出强化的nial单晶合金的高温蠕变强度已达到第一代单晶合金的高温蠕变强度已达到第一代ni基单晶合金的水平。基单晶合金的水平。u引入塑性相以后，引入塑性相以后，nial合金的室温塑性也得到明显改善，但到合金的室温塑性也得到明显改善，但到目前为止，还未发展出一种同时兼有足够高的高温强度和良好目前为止，还未发展出一种同时兼有

45、足够高的高温强度和良好室温塑性的室温塑性的nial基合金。因此，在基合金。因此，在nial基合金的研究开发和工基合金的研究开发和工程应用道路上还有许多困难需要克服。程应用道路上还有许多困难需要克服。在在nial二元系二元系中，存在中，存在ni3al、 nial、 ni5al3、 ni2al3和和 nial3五五种金属间化合物，种金属间化合物，其中应用最广的其中应用最广的是是ni3al和和nial。nial二元相图二元相图nial的晶体结构的晶体结构niala0.2887nmnial的晶体缺陷的晶体缺陷u当当nial成分偏离化学计量比时，成分偏离化学计量比时， nial显示特殊的点显示特殊的点缺

46、陷行为，富缺陷行为，富ni的合金中，多余的的合金中，多余的ni占据占据al原子位置，原子位置，而富而富al的合金中，的合金中， ni的空缺由空位替代。的空缺由空位替代。u在在nial中可以开动的位错有中可以开动的位错有a 100 ，a 110 和和a 111 。其中。其中a 100 位错在所有方向都具有最位错在所有方向都具有最低的能量，是低的能量，是nial的最基本滑移矢量。的最基本滑移矢量。unial在在【100】面上只发生单滑移；在面上只发生单滑移；在【100】面上，面上， a 100 ，a 110 和和a 111 的滑移可产生堆的滑移可产生堆垛层错和反相畴界。垛层错和反相畴界。nial合

47、金的性能特点合金的性能特点u熔点熔点高达高达1638，比，比ni基高温合金高约基高温合金高约300；u密度密度5.95g.3 ,只有只有ni基高温合金的基高温合金的2/3；u抗氧化性抗氧化性极佳，抗热腐蚀性能也较好；极佳，抗热腐蚀性能也较好；u较高的较高的杨氏模量杨氏模量(240 gpa)u极高的极高的热导率热导率，在，在201100 之间的热导率为之间的热导率为70 80w.m-1.k-1，是，是ni基高温合金的基高温合金的5倍左右；倍左右；unial主要问题是主要问题是室温塑性和韧性差，高温强度不足。室温塑性和韧性差，高温强度不足。u 当当nial单晶取向为单晶取向为100时，由于时，由于

48、100的分解切应力为零，室温时靠的分解切应力为零，室温时靠a111，高温时靠，高温时靠a110和和a100滑移来产生形变，所以具有反常的高流滑移来产生形变，所以具有反常的高流变应力，称为变应力，称为硬单晶硬单晶。 非非100取向的取向的nial单晶称为单晶称为软单晶软单晶。软单晶靠软单晶靠a100位错滑移来产生形变。位错滑移来产生形变。晶体的滑移系如表晶体的滑移系如表1所示。所示。u 多晶多晶 niai在室温变形时，只能进行在室温变形时，只能进行5000 h (10000 cycles) in the gte structure without any comments;- decrease

49、of the alloy cost by 20-25% and the blade production labour consumption by 30%.俄罗斯俄罗斯-全俄航空材料研究院全俄航空材料研究院turbine blades (a) and nozzle vanes (b) made of alloys of vkna types(+1.5%re)5 、ti-al系金属间化合物系金属间化合物u早在上世纪早在上世纪50-60年代，年代，ti-al系金属间化合物就成系金属间化合物就成了苏美等国热衷研究的对象，但由于其脆性问题，了苏美等国热衷研究的对象，但由于其脆性问题，即从室温到即从室

50、温到700左右，左右，ti-al系化合物因其系化合物因其塑性差、塑性差、断裂韧性低、裂纹扩展速率大断裂韧性低、裂纹扩展速率大，从而限制了它们的从而限制了它们的应用。应用。u直到直到70年代后期，美国空军基地研究者用年代后期，美国空军基地研究者用粉末冶金粉末冶金方法方法并结合并结合合金化技术合金化技术为该研究工作带来了转机。为该研究工作带来了转机。ti-al系金属间化合物的发展状况系金属间化合物的发展状况u近近10多年来，国内外重点研究的、作为结构材料应多年来，国内外重点研究的、作为结构材料应用的用的ti-al系金属间化合物主要有以下系金属间化合物主要有以下3种：种：2 - ti3al ，- t

51、ial及及-tial3。uti-al系金属间化合物特别是以系金属间化合物特别是以ti3al为基的为基的2型合金型合金和以和以tial为基的为基的型合金，由于他们的型合金，由于他们的比重小比重小，高温高温强度高，抗氧化性能良强度高，抗氧化性能良和和刚性好刚性好，已成为当前国内，已成为当前国内外广泛关注和迅速发展的一种新型材料，并将在未外广泛关注和迅速发展的一种新型材料，并将在未来的航空、航天工业中发挥重要的作用。来的航空、航天工业中发挥重要的作用。ti-al系金属间化合物的发展状况系金属间化合物的发展状况ti-al二元相图及主要金属间化合物相二元相图及主要金属间化合物相ti3al 金属间化合物金

52、属间化合物uti3al金属间化合物具有金属间化合物具有密排六方密排六方d019有序结构有序结构，空间群为，空间群为p63/mmc，熔点为，熔点为1600，密度为，密度为4.20g/cm3,低于所有普通钛低于所有普通钛合金。合金。800以下有良好的抗氧化性和耐热性能。以下有良好的抗氧化性和耐热性能。它在室温时只有一个滑移系（它在室温时只有一个滑移系（0001）1120，同时产生平，同时产生平面滑移，因而塑性很差。面滑移，因而塑性很差。解决解决ti3al的脆性主要是通过加入的脆性主要是通过加入相稳定元素相稳定元素nb、v、mo，其中其中nb的作用最为显著的作用最为显著。通过。通过nb合金化形成合金

53、化形成2+两相组织，两相组织，提高了材料的塑性，此外提高了材料的塑性，此外nb还降低马氏体转变温度还降低马氏体转变温度ms，使，使2组织变细，减少滑移长度组织变细，减少滑移长度。含含1014at%nb的的ti3al合金，其室温拉伸延伸率可达合金，其室温拉伸延伸率可达3%5%，甚至更高，可在，甚至更高，可在700以下温度使用近期正在研究和发以下温度使用近期正在研究和发展含展含nb更高（更高（17at%）的）的2+o三相合金和以三相合金和以ti2alnb（o相）为基的合金（含有相）为基的合金（含有相和相和2相），其工作温度和强度以及相），其工作温度和强度以及综合性能均能得到进一步的提高。综合性能均

54、能得到进一步的提高。ti3al 金属间化合物金属间化合物uti3al基合金经合金化和机械热处理方面的大量研究和发展工基合金经合金化和机械热处理方面的大量研究和发展工作，塑性、韧性和工艺性能已得到满意的解决，也解决诸如作，塑性、韧性和工艺性能已得到满意的解决，也解决诸如焊接性差等应用制造工艺问题，可以制成焊接性差等应用制造工艺问题，可以制成棒材、饼材、冷轧棒材、饼材、冷轧薄板薄板等各种产品提供给用户使用。该合金已在航空发动机上等各种产品提供给用户使用。该合金已在航空发动机上进行了适用性试验。进行了适用性试验。u由于由于ti3al合金的高温抗氧化性较差合金的高温抗氧化性较差，高温氧化气氛中性能的，

55、高温氧化气氛中性能的衰减较严重以及综合性能不甚理想，因此在应用方面还受到衰减较严重以及综合性能不甚理想，因此在应用方面还受到一定的限制，还需要在今后工作中予以解决。一定的限制，还需要在今后工作中予以解决。 ti3al 金属间化合物金属间化合物tial金属间化合物金属间化合物utial是典型的是典型的berthollide型化合物，具有很宽的成分范围，从型化合物，具有很宽的成分范围，从48al到到69.5（原子），在熔点（原子），在熔点（1465）以下温度一直）以下温度一直稳定。稳定。-tial具有具有l10 结构，正方点阵结构，正方点阵,是稍微变形的面心立方是稍微变形的面心立方体，体，c/a=

56、1.02。由于晶体对称性低，滑移系少，此外据测算，。由于晶体对称性低，滑移系少，此外据测算，共价键电子数在总价电子数中所占比例较大共价键电子数在总价电子数中所占比例较大，约占，约占30%左右，左右，因此常温下呈脆性。因此常温下呈脆性。密度较小，为密度较小，为3.9g/cm3，使用温度可达使用温度可达900，因而更具有吸引力。，因而更具有吸引力。tial金属间化合物金属间化合物utial金属间化合物具有低密度、较高弹性模量以及良好的高温金属间化合物具有低密度、较高弹性模量以及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化性能。强度、抗蠕变和抗氧化性能。u与与ni基高温合金相比，基高温合金相比，tial基合金的基

57、合金的主要应用优势主要应用优势在于：在于：tial基合金较之航空发动机其他常用结构材料的比刚性高约基合金较之航空发动机其他常用结构材料的比刚性高约50%。 tial基合金基合金600750的良好蠕变性能，使其可能替换某些的良好蠕变性能，使其可能替换某些ni基高温合金部件（重量减轻一半）。基高温合金部件（重量减轻一半）。tial合金具有良好的阻燃能力，可替换一些昂贵的阻燃设计合金具有良好的阻燃能力，可替换一些昂贵的阻燃设计ti合金。合金。utial合金的合金的缺点缺点是其较低的抗损伤能力、室温塑性、断裂韧性是其较低的抗损伤能力、室温塑性、断裂韧性和高裂纹扩散速率增加了失效的可能性。和高裂纹扩散速

58、率增加了失效的可能性。 tial基合金的偏析和均匀化基合金的偏析和均匀化uti-al二元相图上最明显的特征是逐次存在二元相图上最明显的特征是逐次存在两个包晶反应两个包晶反应，从而，从而导致了导致了铸态组织中普遍存在的枝晶偏析组织铸态组织中普遍存在的枝晶偏析组织。其枝晶干为。其枝晶干为2+板条组织，而晶间为最后凝固的单相板条组织，而晶间为最后凝固的单相。u tial合金的合金的均匀化处理均匀化处理可以消除上述组织偏析。研究结果表明，可以消除上述组织偏析。研究结果表明，在在+两相区的热处理及热加工均不能完全消除晶间两相区的热处理及热加工均不能完全消除晶间偏析，因偏析，因而，均匀化处理应在而，均匀化

59、处理应在相区内进行。相区内进行。u对许多铸态或变形态对许多铸态或变形态tial合金的研究表明，合金的研究表明，在在相变线以上，均相变线以上，均匀化温度的少量增加极大地提高均匀化速率匀化温度的少量增加极大地提高均匀化速率。比如，将。比如，将相变线相变线以上以上10提高到提高到70，则等静压，则等静压ti-al-2nb-2mn合金的均匀化合金的均匀化时间缩短了近时间缩短了近40倍。倍。u在单相在单相区均匀化将导致晶粒的快速长大，因为随着区均匀化将导致晶粒的快速长大，因为随着相的溶解相的溶解其钉扎作用消失。所以，其钉扎作用消失。所以，应尽可能地缩短在单相区的保持时间应尽可能地缩短在单相区的保持时间以

60、防止晶粒的长大以防止晶粒的长大，以利于后续热加工。，以利于后续热加工。tialtial合金的典型组织合金的典型组织合金组织的微观尺寸是影响宏观力学性能的一个重要因素。理解及调整tial合金的典型组织基础是ti-al二元相图。tial合金热加工态组织可以根据使用条件及已知组织性能关系来选择。具体做法是调整热处理温度、热处理时间及冷却速度来获得相应的组织来满足使用性能的要求。通常tial合金的微观组织可分为以下四类：tialtial合金的典型组织合金的典型组织a 全片层组织全片层组织(fl)在刚高于t温度进行热处理，高温下的单相经空冷或炉冷至室温，会得到完全由等轴的/ 2片团构成的全层片组织。因处理温度较