寻找先进的金属间化合物

纯金属中的原子从液态凝固后排列成规则的模式，这些模式复制了各种各样的几何形状。根据原子的排列，它们可以分为不同的结构类型，更广为人知的是晶体结构．

最常见的晶体结构是立方或六边形。如果在纯金属中加入其他元素，它们就会形成一种叫做a的金属合金坚实的解决方案;这很像将盐溶解在水中形成的溶液，但只是以固体的形式。在一个坚实的解决方案，外来原子就能占据合适的位置或网站在原始金属内部仍然保持有序的结构。

另一类广为人知的金属合金是铜合金金属互化物;事实上，它们构成了今天已知的最大的一类材料。一个金属间化合物,或金属互化物，两种或两种以上元素按一定比例混合形成;换句话说，它们以不同的化学式形成。就像在纯金属中一样，金属间化合物中的不同原子形成规则的周期阵列。就其性质而言，金属间化合物介于金属和陶瓷之间。它们比金属更坚固，更耐氧化(环境侵蚀，如铁的生锈)，但通常不如陶瓷。虽然大多数金属间化合物表现出较差的延展性，并像陶瓷一样易破碎，但它们在相容性和加工方面具有相当大的优势。

有趣的是，早在公元前2500年，人类就已经知道了金属间化合物，当时铜砷(Cu_3.As)化合物在埃及和安纳托利亚用作强化金属工具的涂层。古代使用金属合金的其他例子还包括制作硬币和装饰品的黄黄铜(铜锌合金)，以及用于牙齿填充物的银锡汞合金(汞的化合物)。经过几个世纪的研究和开发，人们发现了各种现代金属间化合物，它们的性质与母金属截然不同。镍钛(NiTi)金属间化合物表现出形状记忆效应，即变形后加热后恢复到原来的形状;这些材料用于喷气式发动机的降噪功能和外科手术中的支架。镍(镍_3.铁)和钴钐(Co₅钐是一些最强大的磁铁，用于复杂的乐器和麦克风。Zirconium-aluminium(锆_3.金属间化合物具有较高的抗辐射损伤性能，在核反应堆中得到广泛应用。

金属间化合物的另一个非常重要的应用是它们在燃气和喷气涡轮发动机中的应用。发动机后部的旋转部件可以承受超过1500°C的温度以及高负载应力。目前，全面用于这一苛刻应用的材料是镍基超合金．

引人注目的是，高温合金的主要成分之一是镍和铝之间形成的金属间化合物Ni_3.它是这个分量，或者阶段这就是这些合金在高温下表现出高强度的原因。早在20世纪50年代末，纽约通用电气公司的工人们就揭示了这种金属间相的非凡特性。与普通金属和合金随着温度的升高而变弱不同，这种金属间化合物的强度实际上随着温度的升高而增加。这种异常行为在高达700°C时被观察到，与室温相比，强度增加了一倍。通过进一步修改成分和加工参数，一种先进的镍基高温合金在800°C左右显示出峰值强度。随着温度的升高，强度会下降，但材料仍然保持足够的强度来承受极端条件。

Ni的非凡行为_3.Al在材料科学家中引发了巨大的热情，导致了全球对Ni的活跃研究_3.高温用铝及类似金属间化合物。从那时起，研究人员发现了镍硅(Ni)等化合物_3.Si)，钛铝(TiAl)，铁铝(FeAl)和钴钛(Co)_3.它们的行为相似。然而，在高温下保持显著的强度并不是结构金属间化合物必须满足的唯一标准——它还必须满足更多损害宽容或在室温下延展性好，且还应表现出良好的抗氧化性。以Ni为例_3.此外，延展性差的问题可以通过添加微量的硼来解决，每公斤硼中只有0.5毫克(即重量为百万分之500)。用硼掺杂镍_3.人工智能变得如此具有延展性，它可以被拉伸35%，这与一些纯金属相当。关于氧化，从Ni中得到铝_3.铝与大气中的氧在高温下发生反应，形成连续的氧化层氧化铝,艾尔。₂O_3.)，然后保护组件的其余部分免受进一步的环境攻击。

类似于Ni_3.铝，其他金属间化合物，比如镍_3.硅的强度随温度升高而增加。然而,倪_3.Si和FeAl表现出较差的低温延展性，这给制造带来了问题。有限公司_3.钛显示出巨大的潜力，但由于它形成的氧化层不具有保护作用，因此缺乏高温抗氧化性。其他一些候选材料表现出良好的抗氧化性，如钼硅(MoSi)₂)，但高温强度差。一种特殊的金属间化合物，钼-硅-硼₅SiB₂)在1700°C的高温下表现出优异的抗氧化性，但其脆性仍然是一个障碍。

然而，TiAl具有最优的性能平衡，显示出最光明的前景。与保护性氧化层一起，它具有比Ni更轻的附加优势_3.人工智能，这对航空航天工业至关重要。事实上，TiAl已经用于新一代涡轮发动机的一些部件，但是它们的耐温能力仍然不如Ni_3.铝基高温合金。

目前，全世界的材料科学家都在不断地寻找一种先进的金属间化合物，这种化合物将能够取代目前镍基高温合金的性能。搜寻工作已经进行了近二十年，在过去的五年里，为了满足新一代燃气或喷气涡轮发动机苛刻的设计标准，其速度有所加快。

到目前为止，一种新的高温航空材料已经被证明是难以捉摸的，然而，候选材料必须从这种奇特而令人兴奋的材料中提升金属互化物．