摘 要 综述了与金属间化合物相关的一些概念和发展现状，指出金属间化合物基复合材料是近年内发展起来的一种新型复合材料，它具有低密度、高熔点、高比强度、高耐腐蚀性等优点，并具备引入强化相的优良特性，因此逐渐成为研究热点。目前研究热点集中在Ni3Al基，WC增强，TiC增强，Cr3C2增强等方面的研究，Ni3Al基复合材料的高温强度，耐磨性，硬度，抗冲蚀性，高温屈服强度等是其主要具体研究内容，在制备，微观分析，两相匹配等方面还存在不少亟待解决的问题。
关键词 金属间化合物；复合材料；耐高温；耐磨性
1 绪论
所谓金属间化合物，是指金属和金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合物，其原子的排列遵循某种高度有序化的规律。目前研究的热点主要集中在Ni3Al和NiAl， Fe3Al和FeAl以及Ti3Al和TiAl等的铝化物。
金属间化合物具有低密度、高熔点、高比强度、高耐腐蚀性等特点，并且在一定温度范围内其强度随温度升高而增强，这就使金属间化合物材料在高温结构应用方面具有极大的潜在优势。但是伴随着金属间化合物的高温强度而来的，是它本质上难以克服的室温脆性，因此添加某些特定强化相以改善其综合性能的金属间化合物基复合材料逐渐成为研究热点。
2 Ni3Al基复合材料
2.1 WC+Ni3Al基复合材料
钢铁研究总院冯涤、叶武俊等为了提高汽轮机叶片的硬度，耐汽蚀性，抗水砂磨损的性能等性能，通过机械法将NiAl粉、Ni粉WC粉混合后烧结，堆焊制备成Ni3Al+WC复合材料。其加工步骤为：选配料-机械合金化-挤压成坯-预处理-试样烧结-成型堆焊等[1]。
研究结果表明，该复合材料在堆焊过程中，可促使大部分WC不溶入熔池而直接以颗粒状分布于Ni3Al基体上，在WC的抗磨特性和基体的抗气蚀性能联合作用下，使该复合材料具有高的硬度（显微硬度HV可达570）及较好的抗汽蚀和抗水砂磨损的性能（通过进行水轮机叶片强汽蚀区的模拟汽蚀试验）。此外，最后经过合适的热处理可以有效改善复合材料的组织状况和性能。
张春福、骆合力等人研究了WC/Ni3Al基复合材料的抗磨粒磨损性能，通过与45#淬火钢比较得出结论，其抗磨性是45#淬火钢的3.34倍，是一种极具潜力的高温抗磨材料。下表为WC/Ni3Al基复合材料、Ni3Al基体、45#淬火钢三种材料的二体磨粒磨损实验结果对比。
综合各类研究的结果可以得知，WC/Ni3Al基复合材料具有良好的硬度，耐磨性的原因主要有：
（1）弥散分布的高硬WC质点有良好的抗磨效果：两相之间浸润角很小，这使得WC相与Ni3Al基体的亲和力很强。牢固钉扎在基体上的WC高硬相，阻挡了磨粒的磨损并使磨粒运动受阻，迫使磨粒产生径向位移的结果。显然这样的组织具有很好的抗磨性，另外在生成WC/Ni3Al复合材料的高温烧结和氩弧堆焊过程中，WC相和Ni3Al基体之间有互扩散和溶解的冶金过程发生。
Ni3Al基体具有很高的高温屈服强度，在磨损过程中消耗于变形的能量中，至少有90%以热的形式耗散，这些热量集中在磨沟内部会产生很高的温度。由于磨损过程是连续的所以后续磨粒的物理过程可能发生在前一个磨粒产生的高温环境下，随机的局部磨损应可能是在高温下进行的，因此部分抗磨面的失效过程是高温下的屈服或疲劳过程。而Ni3Al基合金以γ′相为基存在反常的温度与屈服的关系，其屈服强度随温度的升高而升高，在1000℃时屈服强度仍具有很高的水平，具体的强度值σS约为350MPa，而在1000℃的温度下45#钢的屈服强度值小于50MPa。这样WC/Ni3Al基复合材料就会显示出非常优异的高温耐磨性[2]。
2.2 TiC+Ni3AI基复合材料
上海交通大学徐颖、徐东等人自行研制了一种TIC颗粒增强Ni3AI基复合材料，研究了其组织和性能，研究结果表明，TIC+Ni3AI基复合材料组织中碳化物在枝晶间均匀分布，与基体润湿良好，具有比基体高的弹性模量、屈服强度，但塑性有所降低[3]。
本实验采用的基体材料为Ni-16Al-8Cr-1Zr-0.1B（原子分数），添加Ti（原子分数为99.7%）和石墨粒子并在低压Ar气氛下经电弧熔炼制出所需的复合材料。部分试样经1100℃x48h热处理。与铸态组织进行微观组织，显微硬度的对比。
研究结果表明：①TiC颗粒增强Ni3Al基复合材料具有良的化学相容性，界面润湿良好。热处理使碳化物形貌改变，并使基体和颗粒的显微硬度增大。②TiC颗粒增强Ni3AI基复合材料具有比基体高的弹性模量、屈服强度，但塑性有所降低。
北京航空航天大学欧阳洁等人在不锈钢基材上通过激光合成Ni-Cr-Al-Co-X（ X = Mo、W、Nb、Ti、C）+TiC 粉末，制备出金属间化合物Ni3Al-Ni0.58Al0.42，获得了组织均匀且与基体间完全冶金结合的无缺陷涂层[4]。
该实验基体材料选用不锈钢1Cr18Ni9Ti，试样尺寸55mm*20mm*10mm。涂层材料为Ni、16.00%Cr、16.00%Al、16.00%Co、2.76%Mo、2.68%W、2.65%Nb、2.00%Ti、0.05%C、0.01% B（以质量分数计，文中以Ni16Cr16Al6Co表示，下同）+TiC。TiC的质量分数分别为0%、6%、12%、20%。
实验激光工艺参数为：激光合成试验在8kW 横流连续CO2激光材料加工成套系统上进行。采用铺粉的方式，前期预置粉末厚度为1.2mm，在封闭装置中填充氩气进行保护，激光合成功率为3000W，扫描速度5mm/s，光斑直径5mm，搭接率40%。
通过对显微组织的观察可以知道：合金粉末N i-Cr-Al-Co-X （ X= Mo、W、Nb、Ti、C ）中加入6%的TiC 粉末在激光合成组织中生成的T iC含量少且分散，加入20%的T iC 粉末会使得Ni3Al成樹枝状生长受阻，大部分生长为颗粒状，加入12%的T iC粉得到微观组织优异的复合材料涂层。下图为不同成分的显微组织SEM照片：
通过对其硬度的测试可知：激光合成N i-Cr-Al-Co-X（X= Mo、W、Nb、T i、C）+12%TiC 粉末材料涂层表面平均显微硬度700HV，高于加入6%TiC粉末的平均显微硬度600HV及加入20% TiC 粉末的平均显微硬度500HV。
综上可得出结论：复合材料涂层主要组织为TiC 增强相、金属间化合物Ni3Al及大量Ni0.58Al0.42相；其组织均匀，与基体之间为完全冶金结合；复合材料涂层具有硬度高、抗黏着磨损能力强的优点，在滑动干摩擦试验条件下表现出优异的耐磨性能。
TiC+Ni3AI基复合材料还有许多其他的合成方法，比如华东交通大学何柏林等以化学纯镍粉、钛粉、铝粉、石墨粉为原料，采用燃烧合成方法制备了TiC/Ni3Al 含孔预制件，用无压熔渗法制备了Ni3Al 熔渗TiC/Ni3Al 复合材料，并研究了渗透温度和时间对TiC/Ni3Al复合材料的微观组织、硬度的影响[5]。
其试验结果表明，无压熔渗法是制备致密的TiC/Ni3Al复合材料的有效方法，适当提高渗透温度，可大大缩短渗透时间。在完成渗透获得致密组织的前提下，渗透温度和渗透时间对TiC/Ni3Al复合材料的硬度无显著影响。渗透后复合材料的组成相为Ni3Al和TiC，颗粒结合良好。制备的Ni3Al/TiC复合材料的维氏硬度随TiC体积分数的增加而提高。
2.3 其他强化相的Ni3Al基复合材料
Cr3C2是性能非常优异的高温耐磨硬质点，具有高的热硬度以及优异的高温抗磨损性能侧，将Cr3C2加入到Ni3AI基体材料中，可使两种材料优势互补，得到高温耐磨性能优良的Cr3C2/Ni3AI 复合材料。
北京航空航天大学顾国荣等采用氩弧焊将Cr3C2-AlNi焊丝堆焊于碳钢表面制成Cr3C2/Ni3Al高温耐磨复合材料。其分析认为，在硬度几乎相同情况下，增强相体积分数、增强相尺寸、Ni3Al形变硬化能力是决定复合材料在常温下耐磨粒磨损性能的主要因素[6]。
钢铁研究总院李尚平等通过对Cr3C2/Ni3Al复合材料在100 0℃进行长期时效和氧化实验，分别考察了该材料的高温相稳定性和化学稳定性，得出结论为Cr3C2具有良好的高温化学稳定性并与Ni3AI基体有较好的氧化协同性，从而可得到基体有力支撑以发挥抵抗磨损的作用，优良的高温稳定险使得Cr3C2/Ni3AI复合材料适于在1000℃ 的高温环境下长期服役。碳化铬/Ni3Al复合材料具有优异的耐微动磨损性能，与GCr15对磨时，其室温相对耐磨性分别是Stellite6和T800合金的5.5倍和2.6倍[7]。
此外TiB2颗粒增强Ni3Al基复合材料具有比基体高的弹性模量、屈服强度，但塑性有所降低。经过热处理后此种复合材料性能更加优异[8]。
3 Ni3Al基复合材料的应用前景
与金属材料相比，金属间化合物密度小、抗氧化性能好、熔点高、硬度高、抗蠕变和抗疲劳性能好，并具有许多特殊的物理化学性能和力学性能。以金属间化合物为基体，以其他如陶瓷颗粒等为强化相所制备的复合材料具有两者共同的优点，而且可以弥补或部分弥补了彼此的缺点，因而备受人们的关注。国内外一些研究者在这个领域里有突出的成果，但还存在一些有待解决的问题，这些问题的解决将会是金属间化合物基复合材料的未来发展趋势，它们主要有如下一些问题：
（1）所选金属间化合物的物相与强化颗粒的适合还很有限匹配，即所形成的复合材料的种类和体系，还非常有限。具备形成优良的复合材料的要求条件还比较苛刻。
（2）对制备方法，制备工艺的控制等方面的研究还很缺乏，还没有形成完整的理论和操作体系。
（3）复合材料微观结构、组织与性能的关系、断裂方式和强化机理等方面的研究还有待进一步的深入。
（4）目前报道的金属间化合物基复合材料的综合力学性能还不尽理想，离工业应用的要求还有一定的距离，在抑制其脆性方面的研究还不够深入。
总之，Ni3Al基复合材料具有广阔的应用前景，在航空航天方面必然会进一步得到应用，而民用方面也一定会逐渐受到重视，并得到广泛应用。
参考文献
[1] 冯涤，叶武俊.Ni3Al基复合材料的组织与性能[J].金属学报，2009， 39（1）：86-88.
[2] 王小明，朱祖昌.Ni_3Al有序金属间化合物的主要特性和应用[J].热处理，2010，25（3）：6-8.
[3] 徐颖，徐东.TiC颗粒增强Ni_3Al基复合材料的组织和性能研究[J].宇航材料工艺，2006，（4）：30-33.
[4] 欧阳洁，赵海云.激光合成TiC_Ni_Al复合材料涂层组织及耐磨性研究[J].材料保护，2007，40（10）：5-8.
[5] 何柏林，于影霞.无压熔渗法制备TiC_Ni_3Al复合材料的渗入工艺研究[J].铸造技术，2009，（6）：748-751.
[6] 李尚平，骆合力. Cr3C2Ni3Al复合材料的高温稳定性[J].金属学报，2007，43（4）：439-443.
[7] 丁永军，雷强.碳化铬_Ni_3Al复合材料的室温微动磨损性能[J].钢铁研究学报，2011，23（8）：44-47.
[8] 董虹星，賀跃辉.Ni3Al 金属间化合物的研究进展[J].粉末冶金材料科学与工程，2009，14（2）：83-88.