Загальні положення, класифікація та галузі використання

Інтерметаліди вже давно використовують для різних призначень. Добре відоме використання алюмінідів та силіцидів в якості захисних покриттів при гарячій деформації та термічній обробці хімічно активних металів. Інтерметаліди складають основу сплавів-накопичувачів водню, які легко поглинають велику кількість водню при температурах, близьких до кімнатної, та віддають його при невисокому нагріві при зниженні тиску. Інтерметаліди, зокрема, SmCo₅, Sm₂Co₁₇, Fe₁₄NdB використовують як магнітожорсткі матеріали з високими магнітними характеристиками. Ряд інтерметалідів (Nb₃Sn, Nb₃Al, Nb₃Ge та інші) відносять до досить перспективних надпровідних матеріалів.

Інтерметаліди є перспективними конструкційними матеріалами. Наприклад, алюмініди – титану (TiAl, Ti₃Al) i нікелю (NiAl, Ni₃Al) є конструкційними матеріалами, що успішно використовуються в авіаційній техніці завдяки їх малій щільності, високій жаростійкості та жароміцності, гарним ливарним властивостям.

Окремий клас сплавів складають матеріали з ефектом пам’яті форми. На прикладі нікеліду титану була винайдена здатність деяких металевих матеріалів запам’ятовувати свою форму, яка передувала деформації та відновлювати її після певного теплового впливу.

Інтерметалідними сполуками або інтерметалідами називають з’єднання металів між собою, причому, до компонентів інтерметалідів відносять також й ковалентні кремній та германій. Загальна класифікація інтерметалідів включає до себе дальтоніди, бертоліди та фази Курнакова. Під дальтонідами розуміють фази на основі інтерметалідів постійного (певного) хімічного складу, яким на кривих склад-властивість відповідає сингулярна, особлива точка С (рисунок 8.35), положення якої не залежить від температури вимірювання властивостей.

Рисунок 8.35 – Схеми залежностей міцностних властивостей сплавів від складу для систем з дальтонідом (а), бертолідом (б, в) та надструктурами Н.С. Курнакова (г)

Бертоліди – фази на основі інтерметалідів перемінного хімічного складу, для яких на кривих склад-властивість сингулярна точка відсутня. На діаграмах склад-властивість бертолідних фаз можуть спостерігатися максимуми або мінімуми властивостей, але вони не мають сингулярного характеру та їх положення залежить від температури та тиску. Бертоліди представляють собою сполуки у стані дисоціації (рисунок 8.35, б) або тверді розчини на основі мнимих інтерметалідів (рисунок 8.35, в).

Під фазами Курнакова розуміють безперервні тверді розчини між дальтонідами й бертолідами. Фази Курнакова поки ще не використовують ні як конструкційні, ні як функціональні матеріали.

Самостійний клас інтерметалідів – сполуки Н.С. Курнакова. Сполуки Курнакова утворюються в результаті впорядкування атомів невпорядкованих твердих розчинів при зниженні температури (рисунок 8.35). Вперше такі фази були винайдені Н.С. Курнаковим в сплавах системи Cu-Au (Cu₃Au, CuAu). Сполуки Курнакова мають досить високі пластичні властивості. Таким чином слід відрізняти «фази Курнакова» та «сполуки Курнакова».

До дійсного часу виявлено та описано більше 1500 інтерметалідних сполук, які утворюють близько 200 різних типів кристалічних структур. До перспективних конструкційних матеріалів відносять наступні типи інтерметалідів:

1. фази типу А₃В з кубічною кристалічною граткою (Ni₃Al, Ni₃Si, Ni₃Fe, Ni₃Mn, Zr₃Al);

2. фази типу А₃В з гексагональною граткою (Ti₃Al, Ti₃Sn);

3. алюмініди типу М₃Al (А₃В) зі структурою, що відрізняється від перших двох (Fe₃Al, Nb₃Al);

4. алюмініди типу МAl₃ (NbAl₃, NіAl₃, ТаAl₃, TiAl₃, ZrAl₃);

5. фази типу АВ (TiAl, CuAu, NіAl, СоTi, СоZr, NіВе, FeAl, FeСо, TiNi);

6. потрійні алюмініди: Al_1-x-yTi_xМе_y, де Ме – Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni;

7. потрійні фази Лавеса (TiCr_1,5Si_0,5, ТаFeAl, ТаNіAl, NbNіAl);

8. силіциди (МоSi₂, NbSi₂, Nі₃Si, TiSi_2, Ti₅Si_3, Mg₂Si, CoSi₂).

На рисунку 8.36 представлені елементарні комірки інтерметалідів типу А₃В та АВ.

Високотемпературні інтерметалідні сплави повинні мати наступні властивості: високі міцностні та жароміцностні питомі характеристики, достатній опір втомленню, прийнятні пластичність та технологічність, високий опір корозії та окисленню.

Найбільш практичний інтерес мають алюмініди та сплави на їх основі за наступними причинами:

а). алюмініди та сплави на їх основі мають високі міцностні властивості при робочих температурах, що властиві нікелевим сплавам, та вище них (при меншій щільності). Особливу увагу викликають інтерметаліди з високою температурою плавлення: Nb₃Al (1960°C), MoSi₂ (2030°C), що призначені для роботи при температурах вище 1200°С. Стрічки зі сплаву Nb₃Al, що швидко закристалізовані, мають тимчасовий опір розриву 900 МПа при 1300°С й 700 МПа при 1400°С. У зв’язку з цим вважають, що жароміцні матеріали на інтерметалідній основі заповнять прогалину в температурах експлуатації, яка спостерігається між нікелевими сплавами (~1100°С) та керамікою (>1300°С). Межову температуру експлуатації інтерметалідів оцінюють рівною 0,5-0,7Т_ПЛ (переважно 0,5Т_ПЛ).

б). алюміній істотно знижує щільність сплавів. Так, зокрема, щільність інтерметаліду TiAl у 2,5 рази менша, ніж у жаростійких нікелевих сплавів. Низька щільність алюмінідів сприяє підвищенню питомих характеристик міцності та жароміцності. В останній час активно вивчається та використовується один з самих легких інтерметалідів – Mg₂Si (щільність якого 1,94 г/см³).

в). в порівнянні з іншими матеріалами алюмініди мають високий опір окисленню. Одним з кращих матеріалів є інтерметалід Fe₃Al. Високу жаростійкість мають силіциди.

Рисунок 8.36 – Елементарні комірки інтерметалідів типу А₃В (а, б) та АВ (в, г) з кристалічною структурою L1₂ (a), D0₁₉ (б), L1₀ (в) та B2 (г)

г). алюміній відноситься до порівняно недорогих, недефіцитних легуючих елементів.

Використання інтерметалідів та сплавів на їх основі як конструкційних матеріалів гальмується за наступними причинами:

1. властива інтерметалідам крихкість, особливо, при кімнатній температурі;

2. недостатній у деяких випадках опір окисленню;

3. недостатня надійність методів проектування і передбачення тривалості експлуатації виробів з інтерметалідів;

4. відсутність постачальників якісної продукції з інтерметалідів;

5. висока вартість виробів.

Способи підвищення пластичності інтерметалідів залучають до себе: мікролегування, легування, формування оптимальної мікроструктури, підвищення чистоти вихідних матеріалів.

Відомо, що введення 0,02-0,1% В в алюмінід нікелю Ni₃Al й практично в усі сплави на його основі підвищує їх пластичність. Хром позитивно впливає на механічні властивості майже усіх інтерметалідів, ніобій – покращує властивості алюмініду титану.

В дійсний час активно використовують зміцнення інтерметалідів дисперсними частками. До подібних сплавів відносяться: NiAl – NbNiAl, NiAl – TaNiAl, NiAl – Ni₂AlTi, NiAl – Ni₂AlTa. Дисперсне зміцнення, що реалізується методами порошкової металургії, забезпечують оксиди. До таких сплавів відносяться інтерметаліди FeAl, Fe₂Al, NiAl, Ni₃Al, Ti₃Al, що зміцнені оксидами (Al₂O₃, Y₂O₃), карбідами (HfC), боридами (TiB₂).

Для покращення механічних властивостей необхідно отримувати певний тип і параметри мікроструктури. Необхідно прагнути отримати якнайбільш дрібнозернисту структуру. З подрібненням зерна підвищуються пластичні та міцностні характеристики, ускладнюється зернограничне руйнування, створюються умови надпластичної деформації. Дрібнозернисту структуру отримують при кристалізації при великих швидкостях охолодження, вибором оптимальних умов термомеханічного оброблення, методами порошкової металургії. При надшвидкій кристалізації формується нанокристалічна структура, що призводить до підвищення пластичності, опору розтріскуванню та в’язкості руйнування.

До нових перспективних напрямків технології виробництва інтерметалідів відноситься отримання монокристалічних матеріалів.

Найбільші успіхи досягнуті у розробці конструкційних жароміцних інтерметалідних матеріалів для алюмінідів титану і нікелю, а в галузі функціональних матеріалів з ефектом пам’яті форми – для нікеліду титану.

Поиск по сайту: