熔铸反应合成 TiCNiAl复合材料研究(2)
1.2 Ni-Al 金属间化合物的研究随着科学技术的飞跃以及人们对材料领域研究的不断深入，NiAl 金属间化合物引起了行业的关注，结合其在高温下保持强度和刚度的能力，潜在高温轻质（5.9 g/cm3）材料替代镍基合金由于一个特殊的高强度和低比重量，热稳定性、高的热导率（76W / mK）和良好的氧化/腐蚀性高达 1400°C [8]。为Ni-Al 二元相图，从相图中可以得知，除 Ni和 Al 的固溶体外，还存在 NiAl、Ni3Al、NiAl3、Ni2Al3、Ni5Al3等五种稳定的二元Ni-Al化合物。其中 NiAl和 Ni3Al 两种金属间化合物是当前 Ni-Al 体系当中研究比较多的， 与其它高强度镍基高温合金相比，这种材料具有更高的高温强度，更低的密度和更高的熔点，并且同时具有良好的抗氧化性能和抗腐蚀性能，能在更高的温度和恶劣的外部环境下使用[9]。目前此类材料已经在航空发动机的涡轮叶片和导向叶片、耐高温防护涂层材料以及过滤材料等方面均获得应用。由于其他几种 Ni-Al 化合物的熔点相对来说较低，与传统镍基高温合金相比，并没有明显的优势体现出来，研究价值较低，因而对它们的研究相对较少。
1.2.1 NiAl 晶体结构及性能如图 1.2所示，NiAl金属间化合物属于 CsCl 型，为有序立方B2 结构，Ni原子占据立方体的顶角，Al 原子占据立方体的体心，从表 1.1也可以看出，室温等原子比 NiAl的晶格常数为 0.2887nm，晶格常数与合金成分和温度有关。NiAl是一种共价电子和原子比率为 3/2的β相电子化合物，键合型式为金属键与共价键混合型。由 NiAl二元相图可知，单相 NiAl存在一个较宽的成分范围，Ni 含量可以从45 at.%变化到 60 at.%。高温时，这一范围将进一步扩大，有利于其合金化。NiAl 相还可形成非平衡相NiAl 马氏体和Ni2Al 相，这为各种工艺制备NiAl 合金及其复合材料提供了相当大的方便。NiAl 金属间化合物是一种很有潜力的高温结构材料，具有许多优异的性能，比如高熔点(1638℃)，比Ni3Al 高出250℃，使用温度可高达 1250℃以上；低密度(5.86 g/cm3)，比Ni3Al还轻 5.86 g/cm3，高拉伸模量(294 GPa)、热导率高(78 W/mK)以及在高温下抗氧化性能好。因此作为高温结构材料，NiAl 合金拥有比Ni3Al 合金更加优越的性能，成为当前备受青睐的一类材料，可以应用于更高的温度和更加恶劣的环境中。
1.2.2 NiAl 金属间化合物及复合材料制备NiAl 的塑性差是由于其为B2 有序结构，只提供三个独立的滑动系统。根据米塞斯准则需要五个独立的滑移系统，以达到令人满意的多晶的韧性变形和非有序金属铝、铁、镍、钴等材料合金。由于这一事实，只有三个独立的防滑系统存在于 NiAl，主动变形机制可能无法提供有足够的延展性和韧性所需的应用航空发动机部件。 脆性晶间断裂多晶 NiAl 是由于独立滑移系数量太少。因此，增加多晶 NiAl 需要激活额外的滑移系延性。力学和物理性质的深入研究 NiAl 导致了对这种材料的结构和非结构的应用潜力的许多联想，如喷气式发动机硬件，能量转换（即固定式燃气轮机设备），内燃机和热交换器。重离子轰击在非常低的在 NiAl 稳定性研究温度（258°C）在 NiAl 结构混乱的条件下也进行了。然而，众所周知，其低的断裂韧性和低延展性在室温条件下主要限制这种材料在航空航天工业中的应用。 室温下延展性低、韧性较低，高温下强度较低是阻碍金属间化合物实际应用与发展的两大障碍,因此人们把目光聚集到以金属间化合物为基体的复合材料上。 金属间化合物基体的韧性和强度，可以通过复合材料中的增强体分别以韧性裂纹偏转和吸收机制和强度载荷转移机制来提高[12]。NiAl 具有很宽范围的单相区、较高的熔点,且熔点以下为 B2 有序结构。NiAl 金属间化合物的加工技术有燃烧合成法、粉末冶金法、铸造+挤压、定向凝固法、机械合金化法等。