Урало-Сибирская научно-практическая конференция

Интерметаллиды: фундаментальные аспекты, приложения

Б.А. Гринберг 

Институт физики металлов УрО РАН
620219, Екатеринбург, ул.С.Ковалевской, 18. 
E-mail: bella@imp.uran.ru  

Интерметаллиды представляют уникальный класс материалов, которые сохраняют упорядоченную структуру вплоть до температуры плавления, т.е температуры плавления и упорядочения совпадают. Дальний порядок обеспечивает более сильную межатомную связь. Интерметаллиды занимают промежуточное место между металлами и керамиками как по типу химической связи, так и по свойствам. Одни из интерметаллических соединений имеют химические связи металлического типа; другие – ковалентного. Интерметаллиды имеют лучшую обрабатываемость, чем керамики. Наряду с определенной пластичностью, они сохраняют свою структуру и прочность при высоких температурах, обладают хорошими антикоррозионным и антифрикционным свойствам, в чем значительно превосходят обычные металлы.

Среди особенностей деформационного поведения интерметаллидов следует выделить реализацию пластической деформации посредством сверхдислокаций и аномальное возрастание предела текучести при повышении температуры. Впервые обнаруженная в интерметаллиде Ni₃Al указанная аномалия наблюдалась в CuZn, FeCo, Fe₃Al, TiAl, Ti₃Al и др. Свойства интерметаллидов, которые делают их привлекательными:

-высокая прочность, которая не деградирует с возрастанием температуры;     

-аномальная зависимость предела текучести;

-низкая и очень низкая плотность интерметаллидов на основе Al, Ti, Si, что приводит к высокому отношению прочность/плотность;

-высокие упругие модули;

-высокая стойкость к окислению, которую имеют интерметаллиды с высоким содержанием Al;

Применению этих материалов мешает недостаточная пластичность и вязкость. Различные способы улучшения пластичности: модификация кристаллографической структуры, упрочнение границ, уменьшение размера зерен, переход к монокристаллам, создание столбчатой структуры. Улучшение пластичности может быть обеспечено за счет микро- и макролегирования.

Для аэрокосмических систем необходимы новые материалы, которые должны быть, более “прочными, горячими, жесткими, легкими”, чем традиционные материалы. Существуют две проблемы. Во-первых, повышение рабочих температур некоторых частей двигателя, во-вторых, применение более легких материалов. Приведем кратко некоторые приложения сплавов Ni₃Al: лопатки турбин для реактивных двигателей, высокотемпературные штампы и формы, зажимные приспособления в высокотемпературных печах, роллеры для прокатки стальных слябов, детали роторов гидротурбин, режущий инструмент.

Замечательный баланс свойств, обнаруженный у алюминидов титана, включает в себя: высокую температуру плавления, низкую плотность, высокие упругие модули, стойкость к окислению и возгоранию, высокое отношение прочность/плотность, жаропрочность. Область применения указанных соединений обширна и включает в себя: компоненты двигателей, реактивные сопла, элементы обшивки космических аппаратов, сотовые конструкции сверхзвуковых летательных аппаратов и элементы их теплозащитных систем. Существует еще одна область использования алюминидов титана, а именно при изготовлении клапанов для автомобильных двигателей.     

Для каждого типа материалов существует своя температурная ниша: 300-600°C для титановых сплавов; 500-1000°C для суперсплавов и композитов с металлической матрицей; 900-1200°C для сплавов, упрочненных оксидами; 1100-1600°C для композитов углерод/углерод и композитов с керамической матрицей. Предполагается, что g-TiAl займет температурный интервал 600-900°C и заменит здесь суперсплавы. Однако, g-сплавы имеют недостатки: низкую пластичность при комнатной температуре, низкую вязкость, недостаточно хорошие усталостные свойства, сравнительно высокую скорость роста трещин, возможную пористость при определенных видах термообработки.

Сплав Ti₂AlNb, основанный на орторомбической фазе, имеет более высокое отношение прочность/плотность, лучшую пластичность при комнатной температуре, большую вязкость разрушения по сравнению с алюминидами TiAl и Ti₃Al. Установлено, что сплав Ti-22Al-27Nb, содержащий O-фазу и ОЦК фазу (β или B2) обладает хорошим сочетанием высокотемпературной прочности, достаточной пластичностью при комнатной температуре пластичности и вязкостью разрушения.