金属间化合物的制备PPT课件
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第九讲 金属间化合物的制备
现代材料制备技术
一、金属间化合物简介
定义
金属间化合物(intermetallic compound)习惯上又称为中间 相(intermediatephase)，是合金中除固溶体之外的第2类 重要合金相。
按其本来的意义，是指合金相图上在中间成分区域内形成 的均质相，其晶体结构一般和组元金属不同，物理、化学 和力学性质则与组元金属更是相去甚远。
Ni3Si在硫酸中的优异耐蚀能力使化学工业很感兴趣。NiTi 之类的许多金属间化合物还呈现形状记忆效应，可用作热 开关和插接件。
现代材料制备技术
缺点
阻碍这类材料工业应用的主要不利因素是其室温塑性差和 断裂韧性低。纵然用在塑性较大的高温下，其脆性也使它 难以加工和装运。
有研究认为，这是因为塑性流动的简易滑移系数量少，滑 移矢量多，横向滑移有限，穿过晶界的滑移较难和杂质往 晶界上偏析等。
现代材料制备技术
现代材料制备技术
(2)高频感应加热
在水冷铜线圈内将导电金属料放入耐火材料坩埚，通入 200～400Hz的高频电流，由该焦耳热将金属熔化。这种 熔炼方法的优点是由于电磁效应搅拌金属熔液，使试样成 分容易均匀。这种方法不只是熔化试样，通过改进线圈的 形状还可进行金属的精炼提纯(区域熔炼法)或制备单晶。 对于铜或镍等比电阻小的金属的熔化，也可采用石墨坩埚 作发热体。为防止杂质从耐火材料混入熔融金属中，可采 用水冷铜制坩埚。
现代材料制备技术
二、金属间化合物的制备技术
燃烧合成法 高能球磨法 熔铸-熔炼法 气相沉积法
是目前制备金属间化合物较多采用的方法，它们各 有特点，但没有普遍适用性，各种方法都还存在一些理论 和实际问题有待解决。应当根据不同的用途和要求，选择 合适的制备方法。
现代材料制备技术
1、熔炼法
把几种金属块或金属粉末按要求的成分比例配合，经熔炼 后即可制得单相或多相金属间化合物。这时，根据所制备 化合物的熔点、蒸气压及与气体的反应等，必须相应确定 所用的电源、熔炼保护气氛等。另外，如使用的是金属粉 末，熔炼前需先压制成形及预烧结。
一般来说，形成金属间化合物的组元中至少有一种是金属 元素。
现代材料制备技术
特性
由于金属间化合物是介于金属合金和陶瓷之间的一类材料， 它们的长程有序化使其具有许多优异的机械性能，特别是 用作高温结构材料，其优越性更加明显 。
许多金属间化合物都显示出非常高的屈服强度，并且往往 能够维持到很高的温度。Ni3Al等化合物的屈服强度实际 上还随着温度的提高而增大，在高达600℃左右时仍然如 此；
现代材料制备技术
分类
根据结合键的类型，一般可分为离子化合物、共价化合物 和金属化合物；
也可根拓扑密堆相(TCP相)。
除一部分正常价化合物外，它们一般都具有金属性质。有 时也将具有很大成分范围的中间相称为次级固溶体或Ⅱ类 固溶体(second solid solution)，而用金属间化合物一词专 指均质范围比较狭窄、化学计量比较简单的中间相，也就 是只把在较窄的成分范围内具有同一结构的中间相称之为 金属间化合物。
纯金属丝。尤其Pt的抗氧化性极佳，可长期使用。 在1500～1800℃高温下，可选用钨W和钼Mo作发热体。 高于1500℃使用时，往往采用非金属电阻发热体，如硅
碳棒(SiC：烧结体)或石墨电极等。
现代材料制备技术
试样必须装在耐热体中熔炼，根据金属或合金不同，还应 选择适当的坩埚。
现代材料制备技术
现代材料制备技术
(3)电子束熔炼
在高真空下以钨丝作阴极，熔融
金属为阳极，施加直流高压电。
钨丝加热产生的热电子在高电压
下被加速，轰击金属表面从而使
金属料锭熔化。利用电磁聚焦线
强烈的原子间键合使其弹性模量很大，一般也能够维持到 高温；另外，原子间的牢固键合和复杂排列意味着金属间 化合物具有比无序化合金低得多的自扩散系数，从而提高 了抗蠕变扩散能力。
现代材料制备技术
应用
含有硅和铝等元素的金属间化合物在航空与航天工业中有 着广泛的应用前景，Ni3Al 和Ti3Al可望用作燃气涡轮发动 机的结构材料，而NiAl早就用作燃气涡轮叶片的结构涂层 材料了。
人们正在解决这些问题，并且已取得一些成果……
现代材料制备技术
进展
从20世纪50年代初就引起了材料科学家的注意，至今已 有50多年的研究开发历史。
有人将这50多年来的发展情况分为3个发展时期： (1)50年代初至60年代末为初期兴旺期； (2)60年代末至70年代末为表面沉寂期； (3)70年代末至今为“金属间化合物研究热”持续期。
现代材料制备技术
科学家们从多方面深入细致地研究了成分、显微组织、材 料制备过程中加工工艺因素对金属问化合物塑性的影响， 采用微合金化、宏观合金化、显微组织控制、纤维强韧化 等方法来改善其塑性和韧性，并取得了实质性的进展。
使得Ni3A1，Ti3A1，TiA1，Fe3Al，FeAl等金属间化合物 合金逐渐向实用化的目标迈进，为金属间化合物这一具有 特异性能的新型结构材料在航空、航天、化工、原子能工 业等高技术领域的广泛应用开辟了道路。
现代材料制备技术
(1)电阻加热
现代材料制备技术
现代材料制备技术
温度不需要太高，可用低电流加热，用合金电阻丝制作发 热体。例如，温度低于900℃时，可用铁-铬电阻丝；
温度更高而又长时间使用时，则用镍-铬电阻丝更为适宜。 至于铁铬铝电阻丝，即使在大气中使用，由于能生成表面
氧化铝保护膜，温度可高达1400℃。 在1500℃左右的高温下，可用铂丝Pt、钽丝Ta等高熔点
现代材料制备技术
由于日本学者首先解决了Ni3Al多晶材料的室温脆性，这 一具有开创性的研究成果大大加速了研究开发金属间化合 物结构材料的步伐，进而扩展到对
Fe-Al，Ti-Al系及另一个Ni-Al系化合物NiAl的研究。 最近几年来，对熔点更高的Al-Ta，Al-Nb系及铍化物、硅
化物等材料及以金属间化合物为基的复合材料也开展了进 一步的研究。
现代材料制备技术
一、金属间化合物简介
定义
金属间化合物(intermetallic compound)习惯上又称为中间 相(intermediatephase)，是合金中除固溶体之外的第2类 重要合金相。
按其本来的意义，是指合金相图上在中间成分区域内形成 的均质相，其晶体结构一般和组元金属不同，物理、化学 和力学性质则与组元金属更是相去甚远。
Ni3Si在硫酸中的优异耐蚀能力使化学工业很感兴趣。NiTi 之类的许多金属间化合物还呈现形状记忆效应，可用作热 开关和插接件。
现代材料制备技术
缺点
阻碍这类材料工业应用的主要不利因素是其室温塑性差和 断裂韧性低。纵然用在塑性较大的高温下，其脆性也使它 难以加工和装运。
有研究认为，这是因为塑性流动的简易滑移系数量少，滑 移矢量多，横向滑移有限，穿过晶界的滑移较难和杂质往 晶界上偏析等。
现代材料制备技术
现代材料制备技术
(2)高频感应加热
在水冷铜线圈内将导电金属料放入耐火材料坩埚，通入 200～400Hz的高频电流，由该焦耳热将金属熔化。这种 熔炼方法的优点是由于电磁效应搅拌金属熔液，使试样成 分容易均匀。这种方法不只是熔化试样，通过改进线圈的 形状还可进行金属的精炼提纯(区域熔炼法)或制备单晶。 对于铜或镍等比电阻小的金属的熔化，也可采用石墨坩埚 作发热体。为防止杂质从耐火材料混入熔融金属中，可采 用水冷铜制坩埚。
现代材料制备技术
二、金属间化合物的制备技术
燃烧合成法 高能球磨法 熔铸-熔炼法 气相沉积法
是目前制备金属间化合物较多采用的方法，它们各 有特点，但没有普遍适用性，各种方法都还存在一些理论 和实际问题有待解决。应当根据不同的用途和要求，选择 合适的制备方法。
现代材料制备技术
1、熔炼法
把几种金属块或金属粉末按要求的成分比例配合，经熔炼 后即可制得单相或多相金属间化合物。这时，根据所制备 化合物的熔点、蒸气压及与气体的反应等，必须相应确定 所用的电源、熔炼保护气氛等。另外，如使用的是金属粉 末，熔炼前需先压制成形及预烧结。
一般来说，形成金属间化合物的组元中至少有一种是金属 元素。
现代材料制备技术
特性
由于金属间化合物是介于金属合金和陶瓷之间的一类材料， 它们的长程有序化使其具有许多优异的机械性能，特别是 用作高温结构材料，其优越性更加明显 。
许多金属间化合物都显示出非常高的屈服强度，并且往往 能够维持到很高的温度。Ni3Al等化合物的屈服强度实际 上还随着温度的提高而增大，在高达600℃左右时仍然如 此；
现代材料制备技术
分类
根据结合键的类型，一般可分为离子化合物、共价化合物 和金属化合物；
也可根拓扑密堆相(TCP相)。
除一部分正常价化合物外，它们一般都具有金属性质。有 时也将具有很大成分范围的中间相称为次级固溶体或Ⅱ类 固溶体(second solid solution)，而用金属间化合物一词专 指均质范围比较狭窄、化学计量比较简单的中间相，也就 是只把在较窄的成分范围内具有同一结构的中间相称之为 金属间化合物。
纯金属丝。尤其Pt的抗氧化性极佳，可长期使用。 在1500～1800℃高温下，可选用钨W和钼Mo作发热体。 高于1500℃使用时，往往采用非金属电阻发热体，如硅
碳棒(SiC：烧结体)或石墨电极等。
现代材料制备技术
试样必须装在耐热体中熔炼，根据金属或合金不同，还应 选择适当的坩埚。
现代材料制备技术
现代材料制备技术
(3)电子束熔炼
在高真空下以钨丝作阴极，熔融
金属为阳极，施加直流高压电。
钨丝加热产生的热电子在高电压
下被加速，轰击金属表面从而使
金属料锭熔化。利用电磁聚焦线
强烈的原子间键合使其弹性模量很大，一般也能够维持到 高温；另外，原子间的牢固键合和复杂排列意味着金属间 化合物具有比无序化合金低得多的自扩散系数，从而提高 了抗蠕变扩散能力。
现代材料制备技术
应用
含有硅和铝等元素的金属间化合物在航空与航天工业中有 着广泛的应用前景，Ni3Al 和Ti3Al可望用作燃气涡轮发动 机的结构材料，而NiAl早就用作燃气涡轮叶片的结构涂层 材料了。
人们正在解决这些问题，并且已取得一些成果……
现代材料制备技术
进展
从20世纪50年代初就引起了材料科学家的注意，至今已 有50多年的研究开发历史。
有人将这50多年来的发展情况分为3个发展时期： (1)50年代初至60年代末为初期兴旺期； (2)60年代末至70年代末为表面沉寂期； (3)70年代末至今为“金属间化合物研究热”持续期。
现代材料制备技术
科学家们从多方面深入细致地研究了成分、显微组织、材 料制备过程中加工工艺因素对金属问化合物塑性的影响， 采用微合金化、宏观合金化、显微组织控制、纤维强韧化 等方法来改善其塑性和韧性，并取得了实质性的进展。
使得Ni3A1，Ti3A1，TiA1，Fe3Al，FeAl等金属间化合物 合金逐渐向实用化的目标迈进，为金属间化合物这一具有 特异性能的新型结构材料在航空、航天、化工、原子能工 业等高技术领域的广泛应用开辟了道路。
现代材料制备技术
(1)电阻加热
现代材料制备技术
现代材料制备技术
温度不需要太高，可用低电流加热，用合金电阻丝制作发 热体。例如，温度低于900℃时，可用铁-铬电阻丝；
温度更高而又长时间使用时，则用镍-铬电阻丝更为适宜。 至于铁铬铝电阻丝，即使在大气中使用，由于能生成表面
氧化铝保护膜，温度可高达1400℃。 在1500℃左右的高温下，可用铂丝Pt、钽丝Ta等高熔点
现代材料制备技术
由于日本学者首先解决了Ni3Al多晶材料的室温脆性，这 一具有开创性的研究成果大大加速了研究开发金属间化合 物结构材料的步伐，进而扩展到对
Fe-Al，Ti-Al系及另一个Ni-Al系化合物NiAl的研究。 最近几年来，对熔点更高的Al-Ta，Al-Nb系及铍化物、硅
化物等材料及以金属间化合物为基的复合材料也开展了进 一步的研究。