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鋁化鎳

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鋁化鎳
識別
CAS號 12003-81-5（Ni3Al）  checkY
12003-78-0（NiAl）  checkY
性質
密度 6.89 g cm−3 (Ni3Al)
5.85 g cm−3 (NiAl)
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

鋁化鎳（Nickel aluminide）指鋁與鎳以任何比例組成的所有化合物，通常指Ni3Al或NiAl，因其耐腐蝕、低密度和易於生產被廣泛使用[1] 。

Ni3Al作為鎳基超合金中的強化γ'相沉澱物，允許高溫強度（high-temperature strength）達到其熔融溫度的0.7-0.8，具有特殊意義[1] [2]；NiAl的密度低（低於Ni3Al）、導熱性良好、抗氧化、熔點高。 [2]這些特性使它們成為特殊高溫應用的理想選擇，例如燃氣輪機和噴氣發動機葉片上的塗層。然而，這兩種合金都具有在室溫下非常脆的缺點[1]。Ni3Al在高溫下仍然很脆，但其晶體結構為單晶而非多晶時可以具有延展性[3]。另外，將金剛石嵌入鋁化鎳底基中可以製造非常耐磨的材料[4]。

Ni3Al

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多晶體Ni3Al基合金的主要問題是室溫和高溫下的脆性，通常歸因於排差無法在高度有序的晶格中移動[5]，大大減少了Ni3Al合金的應用可能性。1990年，有研究顯示加入少量的硼可以抑制晶間斷裂，使合金的延展性大幅提高[6]。解決Ni3Al的脆性問題後，學術界的研究重點轉向提高合金的結構性能。

如前所述，NiAl3基合金在γ中形成的γ'沉澱物可以強化合金。γ'沉澱物在NiAl3基合金中的體積百分濃度非常高（達80%）[7]，使研究人員對其在合金生命周期中的變化非常感興趣。研究重點之一是這些γ'沉澱物在高溫（800℃至1000℃）下的粗化，這大大降低了這些合金的強度[7]。這種粗化是γ+γ'相中的界面能和彈性能之間的平衡造成，此趨勢幾乎無法永久或長期避免[7]，當前的研究試圖透過添加其他元素來減緩這個問題。諸如鐵、鉻和鉬等元素已被證明可以創造出獨特的多相結構，可以顯著提高NiAl3基合金在1000℃下持續1000小時的抗蠕變性。這種抗蠕變性歸因於不均勻的沉澱物Cr4.6MoNi2.1的形成，它＂釘住＂了排差並阻止γ'相進一步粗化[8]。添加鐵和鉻也大大增加NiAl3基合金的可焊性，儘管它的生產很容易，而且成本很低，但其工業操作仍然有待研究[8]。總的來說，NiAl3在鎳基合金中作為一種優秀的強化沉澱物，是高溫、承重應用的理想材料，目前正在研究如何通過添加其他元素來解決材料的缺陷。

NiAl

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NiAl有兩個主要缺陷：低溫時（<330°C）非常脆，且在高溫（＞550℃）時強度快速降低[9]。脆性歸因於反相界（anti-phase boundaries）的高能量以及沿晶界的高原子秩序。[10]這些缺點通常透過添加其他元素來解決。根據微觀結構的影響，嘗試的元素可以分為三組：

  • 形成三元金屬間相的元素，如鈦和鉿[10]。
  • 形成假二元共晶的元素，如鉻[10]
  • 在NiAl中具有高溶解度的元素，如鐵、鈷和銅[10]

在這些元素中，鐵、鈷和鉻已經被證明更有效，由於γ相的形成改變了β相晶粒，使它們極大地提高了室溫延展性和熱加工性。[11]鐵、鎵和鉬的合金也已被證明可以顯著提高室溫延展性。[12]添加鉻、鎢和鉬等難熔金屬，不僅可以提高室溫延展性，還可以增加高溫下的強度和斷裂韌性[13]，這是由於形成了獨特的微觀結構，如共晶合金Ni45.5Al9Mo和α-Cr包裹體，有助於固包裹體溶硬化。甚至還顯示，這些複雜的合金（Ni42Al51Cr3Mo4）有可能通過增材製造工藝（如選擇性雷射製造selective laser manufacturing）進行製造，大大增加了這些合金的潛在應用。[13]

IC-221M

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IC-221M是一種Ni3Al合金，由Ni3Al、硼和鉻、鉬、鋯等金屬結合而成。添加硼可以有效改變合金的晶界化學性質並促進晶粒細化，進而增加延展性。該材料的霍爾-佩奇參數（the Hall-Petch parameters）為σo=163MPa和ky=8.2MPaˑcm1/2。[14]

這種合金相對其重量來說是非常強大的，比普通的SAE 304不鏽鋼強五倍。與大多數合金不同，IC-221M的強度在室溫~800℃時呈現上升。

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該合金非常耐熱、耐腐蝕，並被用於熱處理爐和其他應用，其較長的使用壽命和減少的腐蝕使其比不鏽鋼更具優勢。 [15]

特性

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參考

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Kurbatkina, Victoria V., Borovinskaya, Inna P.; Gromov, Alexander A.; Levashov, Evgeny A.; Maksimov, Yuri M. , 編, Nickel Aluminides, Concise Encyclopedia of Self-Propagating High-Temperature Synthesis (Amsterdam: Elsevier), 2017-01-01: 212–213 [2021-03-07], ISBN 978-0-12-804173-4, （原始內容存檔於2021-11-08） （英語） 
  2. ^ 2.0 2.1 Dey, G. K. Physical metallurgy of nickel aluminides. Sadhana. 2003-02-01, 28 (1): 247–262. ISSN 0973-7677. doi:10.1007/BF02717135 （英語）. 
  3. ^ Pope, D. P.; Ezz, S. S. Mechanical properties of Ni3AI and nickel-base alloys with high volume fraction of γ'. International Metals Reviews. 1984-01-01, 29 (1): 136–167. ISSN 0308-4590. doi:10.1179/imtr.1984.29.1.136. 
  4. ^ Scientists Develop Nickel Aluminide Composite Material that Can Cut Through Cast Iron and Granite. [2021-11-08]. （原始內容存檔於2008-12-11）. 
  5. ^ Wu, Yu-ting; Li, Chong; Li, Ye-fan; Wu, Jing; Xia, Xing-chuan; Liu, Yong-chang. Effects of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of Ni3Al-based superalloys: A review. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2020 [2021-11-08]. ISSN 1674-4799. doi:10.1007/s12613-020-2177-y. （原始內容存檔於2022-06-17）. 
  6. ^ K, Aoki. Ductilization of L12 Intermetallic Compound Ni3Al by Microalloying with Boron. Materials Transactions, JIM. 1990, 31 (6): 443–448 [2021-11-08]. doi:10.2320/matertrans1989.31.443. （原始內容存檔於2022-06-29）. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Wu, Yuting; Liu, Yongchang; Li, Chong; Xia, Xingchuan; Wu, Jing; Li, Huijun. Coarsening behavior of γ′ precipitates in the γ'+γ area of a Ni3Al-based alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2019-01-15, 771: 526–533. ISSN 0925-8388. doi:10.1016/j.jallcom.2018.08.265 （英語）. 
  8. ^ 8.0 8.1 Wu, Jing; Li, Chong; Wu, Yuting; Huang, Yuan; Xia, Xingchuan; Liu, Yongchang. Creep behaviors of multiphase Ni3Al-based intermetallic alloy after 1000°C-1000h long-term aging at intermediate temperatures. Materials Science and Engineering: A. 2020-07-14, 790: 139701. ISSN 0921-5093. doi:10.1016/j.msea.2020.139701 （英語）. 
  9. ^ Czeppe, Tomasz; Wierzbinski, Stanislaw. Structure and mechanical properties of NiAl and Ni3Al-based alloys. International Journal of Mechanical Sciences. 2000-08-01, 42 (8): 1499–1518. ISSN 0020-7403. doi:10.1016/S0020-7403(99)00087-9 （英語）. 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 Czeppe, Tomasz; Wierzbinski, Stanislaw. Structure and mechanical properties of NiAl and Ni3Al-based alloys. International Journal of Mechanical Sciences. 2000-08-01, 42 (8): 1499–1518. ISSN 0020-7403. doi:10.1016/S0020-7403(99)00087-9 （英語）. Czeppe, Tomasz; Wierzbinski, Stanislaw (2000-08-01). "Structure and mechanical properties of NiAl and Ni3Al-based alloys". International Journal of Mechanical Sciences. 42 (8): 1499–1518. doi:10.1016/S0020-7403(99)00087-9. ISSN 0020-7403.
  11. ^ Ishida, K.; Kainuma, R.; Ueno, N.; Nishizawa, T. Ductility enhancement in NiAl (B2)-base alloys by microstructural control. Metallurgical Transactions A. 1991-02-01, 22 (2): 441–446. ISSN 1543-1940. doi:10.1007/BF02656811 （英語）. 
  12. ^ Darolia, Ram. NiAl alloys for high-temperature structural applications. JOM. 1991-03-01, 43 (3): 44–49. ISSN 1543-1851. doi:10.1007/BF03220163 （英語）. 
  13. ^ 13.0 13.1 Khomutov, M.; Potapkin, P.; Cheverikin, V.; Petrovskiy, P.; Travyanov, A.; Logachev, I.; Sova, A.; Smurov, I. Effect of hot isostatic pressing on structure and properties of intermetallic NiAl–Cr–Mo alloy produced by selective laser melting. Intermetallics. 2020-05-01, 120: 106766. ISSN 0966-9795. doi:10.1016/j.intermet.2020.106766 （英語）. 
  14. ^ Liu, C. T.; White, C. L.; Horton, J. A. Effect of boron on grain-boundaries in Ni3Al. Acta Metall. 1985, 33 (2): 213–229 [2021-11-08]. doi:10.1016/0001-6160(85)90139-7. （原始內容存檔於2021-11-09）. 
  15. ^ Crawford, Gerald. Exotic Alloy Finds Niche. Nickel magazine. April 2003 [2006-12-19]. （原始內容存檔於2011-09-30）. 
  16. ^ 16.0 16.1 Dey, G. K. Physical Metallurgy of Nickel Aluminides (PDF). Sadhana. 2003, 28 (Parts 1 & 2): 247–262 [2014-03-05]. doi:10.1007/bf02717135. （原始內容 (PDF)存檔於2022-01-29）. 
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