Інтерметаліди та матеріали на їхній основі

Визначення і загальна характеристика

ІНТЕРМЕТАЛІ́ДИ ТА МАТЕРІА́ЛИ НА Ї́ХНІЙ ОСНО́ВІ Інтерметаліди (І.) — хім. зʼ­єд­на­н­ня двох або декількох металів у певних кількіс. (стехіометрич.) спів­від­ноше­н­нях (напр., NiTi, Ti₃Al, Cu₂MnAl). Утворюються внаслідок взаємодії компонентів при сплавлен­ні, конденсації з парової фази, а також при пере­творе­н­нях у твердому стані. Лише в по­двій. системах синтезовано майже 7 тис., а загалом — до 14 тис. І. Вони за­ймають проміжне становище між металами та кераміками (як за типом хім. звʼязку, так і за властивостями). Звʼязок пере­важно металевий. Існують також І. з проміж. характером звʼязку — іонно-металевим і ковалентно-металевим. Завдяки певній, хоча й обмеженій, пластичності І., порівняно з кераміками, легше обробляти. На від­міну від звичай. металів, мають кращу високотемпературну міцність, добрі антикороз. та антифрикц. властивості. І. є однією з важливих структур. складових низки металевих сплавів, яка істотно впливає на їхні екс­плуатац. характеристики. Крім того, вони мають само­стійне значе­н­ня як основа матеріалів із особливими фіз. властивостями. І. — клас матеріалів, викори­ста­н­ня яких без­перервно роз­ширюється у різних галузях техніки: жароміцні та жаро­стійкі матеріали, захисні покри­т­тя; напів­провід­ник. зʼ­єд­на­н­ня для електрон. техніки; тверді і надтверді матеріали для ріжучих та ін. інструментів; видатні магнітні матеріали (на основі зʼ­єд­нань рідкісноземел. металів); над­провід­ні матеріали для кріоген. техніки; корозіє­стійкі матеріали; сплави з ефектом памʼяті форми та ін. Роз­різняють І. двох типів — дальтоніди та бертоліди. Дальтоніди — фази на основі І. по­стій. (чіткого) хім. складу, що не мають області гомоген­ності, яким на залежностях склад–властивість від­повід­ає особлива (сингулярна) точка, положе­н­ня якої не залежить від температури вимірюва­н­ня властивості. Бертоліди — фази на основі І. змін. складу, у яких на залежностях склад–властивість немає сингуляр. точок. На діа­грамах склад–властивість бертолід. фаз можуть спо­стерігатися максимуми або мінімуми властивостей, однак вони не мають сингуляр. характеру, а їхнє положе­н­ня залежить від температури та тиску. На від­міну від твердих роз­чинів, І. притаман­не впорядковане роз­ташува­н­ня атомів різного сорту вузлами кри­сталіч. ґратки. Таке роз­ташува­н­ня сут­тєво під­вищує спротив пластич. деформуван­ню (міцність, твердість) та, від­повід­но, знижує пластичність. При пластич. деформації ковза­н­ням рух дис­локацій спричиняє поруше­н­ня впорядкува­н­ня та виникне­н­ня специф. дефектів — антифаз. границь з під­вищеною енергією. Це призводить до необхідності від­новле­н­ня порядку шляхом пере­міще­н­ня на­ступ. дис­локації. Таку конфігурацію (дві звичайні дис­локації, що зʼ­єд­нані стрічкою антифаз. границь) називають над­дис­локацією. У деяких І. над­дис­локації можуть складатися із більшої кількості звичай. дис­локацій. Низка І. (Ni₃Al, Ti₃Al, TiAl та ін.) від­значається аномал. температур. залежністю напруже­н­ня плин­ності. На від­міну від більшості матеріалів, зокрема металевих, у них із під­вище­н­ням температури зро­стає межа текучості. Саме тому І. використовують для виготовле­н­ня жароміц. матеріалів для авіац. і ракет. двигунів, енергетики. Створ. низку жароміц. супер­сплавів на основі легованого Ni₃Al, у яких γ`-фаза є гол. структур. складовою. Вони є незамін. матеріалами для лопаток газотурбін. двигунів. Остан. часом значну увагу приділяють матеріалам на основі алюмінідів титану TiAl і Ti₃Al, завдяки низькій питомій вазі яких вдається досягти значного зниже­н­ня маси деталей. Ефективно зміцнюють сплави І. з пере­сичених твердих роз­чинів при терміч. оброблен­ні. Серед найпоширеніших зміцнюючих фаз — Al₃Li, Al₃Sc. І. є структур. складовою багатьох композиц. матеріалів, зокрема й т. зв. природ. композитів, у яких зміцнюючі інтерметалідні фази утворюються під час евтектич. кри­сталізації. Деякі І. (напр., Cu₂MnAl) є феромагнетиками, хоча жоден з компонентів, що їх складають, не є феромагнетиком. Магнітні властивості І. на основі зʼ­єд­нань рідкісноземел. металів значно пере­вищують властивості магнітів на основі заліза та нікелю. До таких І. належать зʼ­єд­на­н­ня зі спіл. структур. формулою: R₂Co₁₇, RСo₅, R₂Co₇, де R — рідкісноземел. метали (Ce, La, Sm, Y). Портативні по­стійні магніти з високою магніт. енергією отримано на основі І. SmCo₅. Нині ви­вчають властивості систем інтерметалід. зʼ­єд­нань з високими ви­схід. магніт. властивостями, напр., SmCo₅–SmCu₅. І. мають практичне за­стосува­н­ня й як над­провід­ні матеріали (V₃Si, Nb₃Ga, Nb₃Al, Nb₁₂Al₃Gа). Знач. досягне­н­ням у матеріало­знавстві є від­кри­т­тя у зʼ­єд­нан­ні Nb3Ge критич. температури пере­ходу до над­провід. стану T_k = 22,0 K (у рідкого водню Т = 20,4 К). Існує до­статньо широкий спектр І. з надпруж. («гумоподіб.») поведінкою, ефектом памʼяті форми, високою демпфуючою здатністю. Осн. умова виникне­н­ня ефекту памʼяті форми — наявність низькотемператур. пере­творе­н­ня мартенсит. типу. Класич. приклад такого матеріалу — нікелід титану (TiNi). Науковці ведуть пошук матеріалів із високотемператур. ефектом памʼяті форми (система Ti–Ni–Zr–Cu). Ефект памʼяті форми використовують в І. на основі сплавів Гейслера у системах Ni–Mn–Ga (Ni₂MnGа), Cu–Mn–Al (Cu₂MnAl) при створен­ні приладів нового поколі­н­ня для пере­творе­н­ня магніт. енергії в механічну. Остан. часом особливу увагу привертає новий клас І. — квазікри­стали. Їм притаман. особливий тип упорядкува­н­ня атомів, що від­значається наявністю нехарактер. кри­сталіч. стану вісей симетрії, зокрема 5-го порядку, та від­сутністю транс­ляцій. симетрії. Квазікри­стали в основному складаються із металевих елементів, проте їхні фіз. властивості сут­тєво від­різняються від властивостей металевих матеріалів. На від­міну від металів, у них електрич. опір при низьких т-рах аномально високий і зменшується із під­вище­н­ням температури, а збільшується при від­палі дефектів, зро­стан­ні структур. порядку. Квазікри­стал AlCuFe має дуже високий опір (до 4,5 мОм-см), не­зважаючи на те, що складається з класич. провід­ників із дуже малим опором. У аморф. металевих сплавах опір від 70 до 300 мкОм-см. Матеріало­знавцями роз­роблено методи отрима­н­ня плівк., порошк. і масив. обʼєктів з квазікри­сталів. Перші квазікри­стали отримано при нерівноваж. умовах швидкіс. охолодже­н­ня. Ві­домі системи (напр., Al–Cu–Li, Al–Li–Cu–Mn та ін.), у яких квазікри­стали існують до т-р плавле­н­ня та можуть бути вирощеними за рівноваж. умов. Як і ін. І., квазікри­стали використовують як зміцнюючі фази, зокрема у сплавах алюмінію. Плівки та порошки квазікри­сталів за­стосовують для нанесе­н­ня покрит­тів, як складові композитів для виробів із під­вищеними мех., оптич., трибологіч., антикорозій. та ін. властивостями. Деякі І. утворюють тверді гідриди та від­повід­но акумулюють водень. Серед гідридів І. найза­стосованішими є зʼ­єд­на­н­ня на основі Ti, Fe, Mg, Ni, La і V. Вони акумулюють до 400 см³ Н₂ на 1 г гідриду, виділяють водень при від­носно низьких т-рах (150–200 °С). Для зберіга­н­ня та викори­ста­н­ня гідридів виготовляють спец. ємності. Їх за­стосовують у водневій енергетиці, у автотранс­порті. Вчені провадять дослідж. щодо викори­ста­н­ня для акумулюва­н­ня водню квазікри­сталів. На І. можливе створе­н­ня т. зв. обʼємноаморфіз. станів із подальшим отрима­н­ням обʼєм. нано­структур при терміч. оброблен­ні.

Літ.: Интерметал­лические соединения / Пер. с англ. Москва, 1970; Корнилов И. И. Физико-химическое ис­следование взаимодействия между метал­лами // Строение, свойства и применение метал­лидов: Сб. науч. ст. Москва, 1974; Корнилов И. И., Белоусов О. К., Качур Е. В. Никелид титана и другие сплавы с эф­фектом «памяти». Москва, 1977; Гринберг Б. А., Сюткина В. И. Новые методы упрочнения упорядочен­ных сплавов. Москва, 1985; Гринберг Б. А., Иванов М. А. Интерметал­лиды Ni3Al и TiAl: микро­структура, деформацион­ное поведение. Екатеринбург, 2002; Колачев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Метал­ловедение и термическая обработка цветных метал­лов и сплавов: Учеб. 4-е изд. Москва, 2005; Тарасов Б. П., Лотоцкий М. В., Яртысь В. А. Про­блема хранения водорода и пер­спективы использования гидридов для ак­кумулирования водорода // Рос. хим. журн. 2006. Т. 50, № 6.

С. О. Фірстов

Завантажити статтю