นิกเกิลอะลูมิไนด์
นิกเกิลอะลูมิไนด์ หมายถึง สารประกอบโลหะระหว่างกันสองชนิดที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ได้แก่ หรือ NiAl แต่บางครั้งคำนี้ก็ใช้เพื่ออ้างถึงโลหะผสมนิกเกิล-อะลูมิเนียมใดๆ โลหะผสมเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความแข็งแรงสูงแม้ในอุณหภูมิสูง ความหนาแน่นต่ำ ทนต่อการกัดกร่อน และผลิตได้ง่าย1 ] Ni₃Alมีความน่าสนใจเป็นพิเศษในฐานะสารตกตะกอนในซูเปอร์อัลลอย ที่มีนิกเกิลเป็น ส่วนประกอบหลัก ซึ่งเรียกว่าเฟส γ' (แกมมาไพรม์) เฟสนี้ทำให้โลหะผสมเหล่านี้มีความแข็งแรงสูงและ ทนต่อ การคืบตัวได้ถึง 0.7–0.8 ของอุณหภูมิหลอมเหลว[ 1 ] [ 2 ]ในขณะเดียวกัน NiAl แสดงคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น ความหนาแน่นต่ำกว่าและอุณหภูมิหลอมเหลวสูงกว่า Ni₃Al ถึงการนำความร้อนที่ดีและทนต่อการออกซิเดชัน[ 2 ]คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เป็นที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ เช่น การเคลือบผิวบนใบพัดในกังหันก๊าซและเครื่องยนต์เจ็ท อย่างไรก็ตาม โลหะผสมทั้งสองชนิดนี้มีข้อเสียคือค่อนข้างเปราะที่อุณหภูมิห้อง โดย Ni3Al คงเปราะที่อุณหภูมิสูงเช่นกัน[ 1 ]เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ได้มีการแสดงให้เห็นว่า Ni3Al ทำให้เหนียวได้เมื่อผลิตในรูปแบบผลึกเดี่ยวแทนที่จะเป็นรูปแบบผลึกหลายผลึก[ 3 ]
คุณสมบัติ
| นีโอไดเมียมอัล | นีอัล | |
|---|---|---|
| โครงสร้างผลึก( การกำหนด Strukturbericht ) | ล1 | บี2 |
| พารามิเตอร์แลตติสa | 0.357 นาโนเมตร[ 4 ] | 0.2887 นาโนเมตร[ 4 ] |
| ความหนาแน่น | 7.50 กรัม/ซม. 3 [ 4 ] | 5.85 กรัม/ซม. 3 [ 4 ] |
| โมดูลัสของยัง | 179 GPa [ 4 ] | 294 GPa [ 4 ] |
| ความแข็งแรงของผลผลิต | 855 เมกะปาสคาล | |
| จุดหลอมเหลว | 1,385 °C (1,658 K) [ 4 ] | 1,639 °C (1,912 K) [ 4 ] |
| สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน | 12.5 × 10 −6 /K [ 2 ] | 13.2 × 10 −6 /K [ 2 ] |
| ความต้านทานไฟฟ้า | 32.59 × 10 −8 Ω ⋅ม. [ 2 ] | 8 ถึง10 × 10 −8 Ω ⋅ m [ 2 ] |
| การนำความร้อน | 28.85 W/(m⋅K) [ 2 ] | 76 W/(m⋅K) [ 2 ] |
นีโอไดเมียมอัล
ข้อเสียที่สำคัญของโลหะผสม Ni3Al แบบผลึกหลายเหลี่ยมความเปราะที่อุณหภูมิห้องและอุณหภูมิสูง ซึ่งขัดขวางการใช้งานโครงสร้างที่เป็นไปได้ ความเปราะนี้โดยทั่วไปเกิดจากความไม่สามารถของดิสโลเคชันในการเคลื่อนที่ในแลตติสที่มีระเบียบสูง[ 5 ]การเติมโบรอนในปริมาณเล็กน้อยสามารถเพิ่มความยืดหยุ่นได้อย่างมากโดยการยับยั้งการแตกหักระหว่างเกรน[ 6 ]
ซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกลเป็นส่วนประกอบหลักได้รับความแข็งแรงจากการก่อตัวของผลึก γ' (Ni Al) ในเฟส γ (Ni) ซึ่งเสริมความแข็งแรงให้กับอัลลอยผ่านการแข็งตัวจากการตกตะกอนในอัลลอยเหล่านี้ สัดส่วนปริมาตรของผลึก γ' สูงถึง 80% [ 7 ]เนื่องจากสัดส่วนปริมาตรที่สูงนี้ วิวัฒนาการของผลึก γ' เหล่านี้ในระหว่างวงจรชีวิตของอัลลอยจึงมีความสำคัญ ปัญหาหลักคือการขยายตัวของผลึก γ' เหล่านี้ที่อุณหภูมิสูง (800 ถึง 1000 °C) ซึ่งลดความแข็งแรงของอัลลอยลงอย่างมาก[ 7 ]การขยายตัวนี้เกิดจากความสมดุลระหว่างพลังงานที่ผิวสัมผัสและพลังงานยืดหยุ่นในเฟส γ + γ' และโดยทั่วไปแล้วเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในช่วงระยะเวลาที่ยาวนาน[ 7 ]ปัญหาการขยายตัวนี้ได้รับการแก้ไขโดยการแนะนำองค์ประกอบอื่นๆ เช่น Fe, Cr และ Mo ซึ่งสร้างโครงสร้างหลายเฟสที่สามารถเพิ่มความต้านทานการคืบได้อย่างมีนัยสำคัญ[ 8 ]ความต้านทานการคืบนี้เกิดจากการก่อตัวของตะกอน Cr MoNi ที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งตรึงดิสโลเคชันและป้องกันการขยายตัวของเฟส γ' ต่อไป[ 8 ]การเติม Fe และ Cr ยังช่วยเพิ่มความสามารถในการเชื่อมของโลหะผสมอย่างมากอีกด้วย[ 8 ]
นีอัล
แม้จะมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ แต่โดยทั่วไปแล้ว NiAl ประสบปัญหาจากสองปัจจัย ได้แก่ ความเปราะสูงมากที่อุณหภูมิต่ำ (< 330 °C (626 °F) ) และการสูญเสียความแข็งแรงอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิสูงกว่า550 °C (1,022 ° F) [ 9 ]ความเปราะเกิดจากทั้งพลังงานสูงของขอบเขตแอนติเฟสและระเบียบอะตอมสูงตามขอบเขตของเกรน[ 9 ]เช่นเดียวกับโลหะผสม Ni3Al เหล่านี้โดยทั่วไปจะได้รับการแก้ไขโดยการรวมองค์ประกอบอื่นๆ องค์ประกอบที่พยายามสามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่มขึ้นอยู่กับอิทธิพลของโครงสร้างจุลภาค:
- องค์ประกอบที่ก่อตัวเป็นเฟสโลหะผสมสามองค์ประกอบ เช่น Ti และ Hf [ 9 ]
- องค์ประกอบที่ก่อตัวเป็นยูเทคติกเทียม เช่น Cr [ 9 ]
- ธาตุที่มีความสามารถในการละลายสูงใน NiAl เช่น Fe, Co และ Cu [ 9 ]
องค์ประกอบที่ประสบความสำเร็จบางส่วนได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็น Fe, Co และ Cr ซึ่งช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิห้องและความสามารถในการขึ้นรูปด้วยความร้อนอย่างมาก[ 10 ]การเพิ่มขึ้นนี้เกิดจากการก่อตัวของเฟส γ ซึ่งปรับเปลี่ยนเกรนของเฟส β [ 10 ]การผสมโลหะด้วย Fe, Ga และ Mo ยังแสดงให้เห็นว่าช่วยปรับปรุงความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิห้องได้อย่างมากเช่นกัน[ 11 ]ล่าสุด โลหะที่ทำให้เกิดการแตกหักซ้ำ เช่น Cr, W และ Mo ได้ถูกเพิ่มเข้าไปและส่งผลให้ไม่เพียงแต่ความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิห้องเพิ่มขึ้นเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความแข็งแรงและความเหนียวแตกหักที่อุณหภูมิสูงอีก ด้วย [ 12 ]นี่เป็นผลมาจากการก่อตัวของโครงสร้างจุลภาคที่เป็นเอกลักษณ์ เช่น โลหะผสมยูเทคติก Ni Al Mo และสารเจือปน α-Cr ที่มีส่วนช่วยในการเพิ่มความแข็งของสารละลายของแข็ง[ 12 ]มีการแสดงให้เห็นแล้วว่าโลหะผสมที่ซับซ้อนเหล่านี้ (Ni Al Cr Mo ) มีศักยภาพที่จะผลิตผ่านกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ เช่นการผลิตด้วยเลเซอร์แบบเลือกซึ่งช่วยเพิ่มศักยภาพในการใช้งานของโลหะผสมเหล่านี้อย่างมาก[ 12 ]
ซูเปอร์อัลลอยที่มีส่วนประกอบหลักเป็นนิกเกล
ในโลหะผสมพิเศษที่มีนิกเกลเป็นส่วนประกอบหลัก บริเวณของ Ni₃Al เรียกว่าเฟส γ') จะตกผลึกออกมาจากเมทริกซ์ที่มีนิกเกลเป็นองค์ประกอบหลัก (เรียกว่าเฟส γ) ทำให้มีความแข็งแรงสูงและทนต่อการคืบตัวได้ดี มีสูตรโลหะผสมหลายสูตรให้เลือกใช้ และโดยทั่วไปมักมีการเพิ่มธาตุอื่นๆ เช่น โครเมียม โมลิบเดนัม และเหล็ก เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆ
ตัวอย่าง
ไอซี-221เอ็ม
โลหะผสม Ni Al ที่รู้จักกันในชื่อ IC-221M ประกอบด้วยนิกเกิลอะลูมิไนด์ที่ผสมกับโลหะอื่นๆ อีกหลายชนิด ได้แก่โครเมียมโมลิบเดนัมเซอร์โคเนียมและโบรอนการเพิ่มโบรอนจะช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นของโลหะผสมโดยการเปลี่ยนแปลง เคมี ของขอบเกรนใน เชิง บวกและส่งเสริมการปรับขนาดเกรน ให้ละเอียดขึ้น พารามิเตอร์ Hall-Petchสำหรับวัสดุนี้คือ σ = 163 MPa และ k = 8.2 MPaˑcm 1/2 [ 13 ]โบรอนจะเพิ่มความแข็งของ Ni Al ในปริมาณมากด้วยกลไกที่คล้ายกัน
โลหะผสมนี้มีความแข็งแรงสูงมากเมื่อเทียบกับน้ำหนัก โดยแข็งแรงกว่าเหล็กกล้าไร้สนิม SAE 304 ทั่วไปถึงห้าเท่า และ ที่แตกต่างจากโลหะผสมส่วนใหญ่คือ IC-221M มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นจากอุณหภูมิห้องจนถึง800 °C ( 1,470 °F)
โลหะผสมนี้ทนต่อความร้อนและการกัดกร่อนได้ ดีมาก และใช้ใน เตาอบชุบแข็งและงานอื่นๆ ที่มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าและลดการกัดกร่อนทำให้ได้เปรียบเหล็กกล้า ไร้ สนิม[ 14 ]พบว่าโครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมนี้ประกอบด้วยเฟสยูเทคติก Ni Zr ดังนั้นการอบชุบด้วยสารละลายจึงมีประสิทธิภาพในการทำงานที่อุณหภูมิสูงโดยไม่เกิดการแตกร้าว[ 15 ]