Интерметаллиды. Интерметаллидные сплавы

Интерметаллическими соединениями, или интерметаллидами, называют соединения металлов между собой, причем к компонентам интерметаллидов относят также и полуметаллы – кремний и германий. Самая общая классификация интерметаллидов включает дальтониды, бертоллиды и фазы Курнакова.

К настоящему времени обнаружено и описано более 1500 интерметаллических соединений, которые образуют около 200 различных типов кристаллических структур. К перспективным конструкционным материалам относят следующие типы интерметаллидов:

1. фазы типа А3В с кубической кристаллической решеткой L12 (Ni3Al, Ni3Si, Ni3Fe, Ni3Mn, Zr3Al);
2. фазы типа A3B с гексагональной решеткой DO19 (Ti3Al, Ti3Sn);
3. алюминиды типа Ме3Аl (А3В) со структурой, отличной от Ll2 и DOl9 (Fe3AlDO3; Nb3Al -0Ah3);
4. алюминиды типа MeAl3 (NbAl3, NiAl3, TaAl3, TiAl3, ZrAl3); их кристаллические структуры различны;
5. фазы типа АВ с кристаллической решеткой Ll0 (TiAl, CuAu);
6. фазы типа АВ с кристаллической структурой В2 (NiAl, CoTi, CoZr, NiBe, FeAl, FeCo, TiNi);
7. тройные алюминиды со структурой Ll2: Al1-x-yTixMey (Me = Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni; x = 0,24…0,28; у = 0,08…0,14);
8. тройные фазы Лавеса (TiCr1,5Si0,5; TaFeAl; TaNiAl; NbNiAl);
9. силициды (MoSi2; NbSi2; Ni3Si; TiSi2; Ti5Si3; Mg2Si; CoSi2).

Высокотемпературные интерметаллидные сплавы должны обладать следующими свойствами: высокими прочностными и жаропрочными удельными характеристиками, достаточным сопротивлением усталости, приемлемой пластичностью и технологичностью, высоким сопротивлением коррозии и окислению.

Наибольший практический интерес представляют алюминиды и сплавы на их основе, что обусловлено следующими причинами:

• алюминиды и сплавы на их основе обладают высокими прочностными и жаропрочными характеристиками при рабочих температурах, свойственных никелевым сплавам и выше них (при меньшей плотности). Особый интерес вызывают интерметаллиды с высокой температурой плавления: Nb3Al (1960 °С), MoSi2 (2030 °С), предназначенные для работы при температурах выше 1200 °С. Быстрозакристаллизованные ленты из сплава Nb3Al обладают временным сопротивлением разрыву 900 МПа при 1300 °С и 700 МПа при 1400 °С. В связи с этим полагают, что жаропрочные материалы на интерметаллидной основе заполнят тот пробел в рациональных температурах эксплуатации, который наблюдается между никелевыми сплавами (-1100 °С) и керамикой (>1300 °С). Предельную температуру эксплуатации интерметаллидов оценивают равной (0,5…0,7) Тпл (предпочтительно 0,5 Тпл);
• алюминий существенно понижает плотность сплавов. Так, в частности, плотность интерметаллида TiAl в 2,5 раза меньше, чем у жаропрочных никелевых сплавов. Пониженная плотность алюминидов способствует повышению удельных характеристик прочности и жаропрочности. Заметим, что в последнее время большое внимание уделяется одному из самых легких интерметаллидов Mg2Si (1,94 г/м3);
• по сравнению с другими материалами алюминиды обладают высоким сопротивлением окислению. Одним из лучших материалов в этом отношении является интерметаллид Fe3Al, обладающий к тому же и высокой коррозионной стойкостью. Высокой жаростойкостью обладают также силициды, но для них труднее решается проблема устранения их хрупкости;
• алюминий относится к сравнительно недорогим, недефицитным легирующим элементам.

Основные факторы, затрудняющие применение интерметаллидов и сплавов на их основе как конструкционных материалов, следующие: свойственная интерметаллидам хрупкость, особенно при комнатной температуре; недостаточное в некоторых случаях сопротивление окислению; ненадежность методов проектирования и предсказания длительности эксплуатации изделий из интерметаллидов; отсутствие поставщиков качественной продукции из интерметаллидов; высокая стоимость изделий.

Способы повышения пластичности интерметаллидов включают микролегирование, легирование, формирование оптимальной микроструктуры, повышение чистоты исходных материалов.

Микролегирование обычно проводится не только с целью повышения пластичности, но и улучшения всего комплекса эксплуатационных свойств. Повышение пластичности при микролегировании может быть достигнуто в результате уменьшения ковалентной составляющей связи, создания благоприятной дислокационной структуры с более высокой подвижностью дислокаций, обеспечения действия более благоприятных систем скольжения, изменения кристаллического или фазового состава и структурного состояния.

К новым направлениям легирования следует отнести упрочнение интерметаллидов дисперсными частицами. Дисперсное упрочнение, реализуемое методами порошковой металлургии, обеспечивают оксиды. К таким сплавам принадлежат, в частности, интерметаллиды FeAl, Fe2Al, NiAl, Ni3Al, Ti3Al, упрочненные оксидами (Al2O3, Y2O3), карбидами (HfC), боридами (TiB2).

Большое значение имеет также чистота исходных материалов, особенно по легкоплавким примесям, сегрегация которых на границах зерен вызывает хрупкое межзеренное разрушение.

Интерметаллиды уже давно применяют в технике для различных назначений. Хорошо известно применение алюминидов и силицидов в качестве защитных покрытий при горячем деформировании и термической обработке химически активных металлов. Интерметаллиды составляют основу сплавов – накопителей водорода, легко поглощающих большие количества водорода при температурах, близких к комнатной, и отдающих его при невысоком нагреве при понижении его давления.

Несколько позднее на интерметаллиды обратили внимание как на перспективные в ряде применений конструкционные материалы. Алюминиды титана TiAl и Ti3Al могут быть полезными конструкционными материалами в авиационной технике, так как они обладают малой плотностью, высокой жаростойкостью и жаропрочностью, хорошими литейными свойствами. Но применение этих интерметаллидов осложнялось их хрупкостью при комнатной и повышенных температурах. Тем не менее в настоящее время разработан ряд сплавов на основе алюминидов Ti3Al и TiAl с механическими и технологическими свойствами, обеспечившими их практическое применение.

Успех в разработке сплавов на основе алюминидов титана стимулировал исследования по изысканию перспективных жаропрочных материалов на основе алюминидов других металлов, в первую очередь никеля (Ni3Al, NiAl).

Применение жаропрочных материалов на основе алюминидов титана:

• авиационная промышленность;
• для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей;
• для деталей компрессора;
• сопловые и рабочие лопатки;
• кольца, корпуса, панельные конструкции;
• энергетическое машиностроение;
• стационарные турбины электрогенераторов;
• энергетические установки;
• транспортное машиностроение;
• поршневые и дизельные двигатели;
• газо- и нефтеперерабатывающие установки химической промышленности;
• атомное машиностроение;
• первая стенка термоядерного реактора;
• в качестве материалов-заменителей, которые создают дополнительную экономию дефицитных материалов.

Сплавы на основе алюминидов железа обладают рядом уникальных эксплуатационных свойств: высокой коррозионной стойкостью, высокой жаростойкостью и достаточно высокими показателями твердости, что говорит о повышенной износостойкости. Сплавы системы железо-алюминий могут быть использованы для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, при повышенных температурах, в агрессивных средах. Это детали горнодобывающего, металлургического, химического и нефтехимического оборудования.

Сплавы на основе алюминидов широко применяются в качестве покрытий. Наиболее применимы покрытия на основе интерметаллидных фаз Ni3Al и NiAl. Эти покрытия работают в условиях высоких температур и в окислительных средах. Для напыления этих покрытий разработаны порошковые интерметаллидные сплавы ПН85Ю15, ПН65Ю35. Для создания покрытий этой системы диффузионным насыщением применяются пастообразные композиции, содержащие алюминий, никель и активатор (фтористый натрий). В качестве коррозионно-стойких покрытий на углеродистых сталях используются интерметаллидные сплавы системы алюминий-хром, алюминий-хром-никель. Для защиты деталей тепловых машин из литейных никелевых сплавов от высокотемпературной газовой коррозии широко используются покрытия системы Ni-Cr-Al, Ni-Cr-Al-Y, Ni-Cr-Al-W-Si-C.

Покрытия на основе Ni3Al применяются при наплавке штампового инструмента для деформирования горячего металла. При этом покрытия работают при температурах до 1100 °С, в том числе в условиях термосилового воздействия. В качестве коррозионно-стойких и жаростойких покрытий используются интерметаллидные сплавы системы алюминий-хром, алюминий-хром-никель.