納米晶Fe-Al-Cr金屬間化合物的制備及其結(jié)構(gòu)與性能的研究.pdf

1、Fe-Al金屬間化合物(Fe3Al、FeAl)具有優(yōu)異的抗氧化性、抗硫化腐蝕及耐磨損性能,而且密度小、強(qiáng)度高,公認(rèn)為是在航空航天及汽車制造領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值的新材料。然而,Fe-Al金屬間化合物的室溫脆性及873 K以上強(qiáng)度和蠕變抗力急劇降低仍是制約其實(shí)用化的兩大關(guān)鍵因素。前期研究表明,2-6 at.％的Cr能明顯增強(qiáng)Fe-Al金屬間化合物的強(qiáng)度和韌性。粉末冶金制備Fe-Al-Cr金屬間化合物具有晶粒細(xì)化、成分均勻等優(yōu)點(diǎn),克服液態(tài)成形

2、Fe-Al-Cr金屬間化合物晶粒粗大、成分偏析等的缺陷,可望開發(fā)結(jié)構(gòu)與性能更加優(yōu)異的新型Fe-Al-Cr金屬間化合物材料。
　　 本文采用高能球磨的機(jī)械合金化(MA)合成Fe-28Al-5Cr、Fe-40Al-5Cr三元合金粉體,真空退火后,再經(jīng)熱壓燒結(jié)制備納米晶Fe3Al(Cr)及FeAl(Cr)塊體材料。采用XRD、SEM、TEM和DSC等研究球磨粉體及熱壓塊體的顯微組織結(jié)構(gòu)及其演變過程,測試了燒結(jié)塊體的力學(xué)性能。研究了球磨

3、粉體的合金化機(jī)制及塊體的強(qiáng)韌化機(jī)制。
　　 在MA初期,Fe-28Al-5Cr粉體的合金化是通過Al原子優(yōu)先向Fe(Al)中,而不是向Fe-Cr(Al)中的擴(kuò)散來進(jìn)行的;延長球磨時間,Fe(Al)中的Al和Fe-Cr(Al)中的Cr間的互擴(kuò)散逐漸實(shí)現(xiàn)成分的均勻化,最終形成成分均勻的Fe(Al,Cr)固溶體,該過程遵循“連續(xù)擴(kuò)散混合”機(jī)制。球磨70 h后,粉體主要由納米晶Fe(Al,Cr)構(gòu)成,晶粒尺寸約為9.5 nm。球磨70

4、h的Fe-28Al-5Cr粉體在從室溫到873K的熱處理過程中,發(fā)生了由Fe(Al,Cr)固溶體向有序的DO3-Fe3Al(Cr)金屬間化合物轉(zhuǎn)變,同時發(fā)生明顯的晶粒長大。Cr成分在MA及隨后熱處理過程中抑制Fe-28Al-5Cr粉體的成分均勻化及有序化轉(zhuǎn)變。
　　 MA Fe-28Al-5Cr納米晶粉體,1023 K真空退火后,再經(jīng)1523 K、25 Mpa熱壓成致密塊體。熱壓塊體中,Fe3Al(Cr)相以B2結(jié)構(gòu)為主,同時還

5、含有少量的Al2O3。在熱壓過程中,發(fā)生晶粒長大,但晶粒尺寸仍在納米級。Fe3Al(Cr)塊體的壓縮強(qiáng)度達(dá)到1313 Mpa,維氏硬度為671.HV0.2,斷裂韌性KIC為5.0Mpa·m1/2。熱壓Fe3Al(Cr)塊體材料良好的力學(xué)性能主要是由于晶粒細(xì)化、組織均化及Cr微合金化。熱壓Fe3Al(Cr)試樣抗彎斷口比較平整,呈沿晶及解理斷口特征。
　　 在MA Fe-40Al-5Cr粉體的合金化初期階段,Al優(yōu)先向Fe中擴(kuò)散,

6、而向Fe-Cr中擴(kuò)散緩慢,形成Fe(Al)及Fe-Cr(Al)固溶體:繼續(xù)球磨,發(fā)生Fe(Al)及Fe-Cr(Al)中Al、Cr原子的相互擴(kuò)散,最終形成成分均勻的新相,即Fe(Al,Cr)固溶體。該過程遵循“連續(xù)擴(kuò)散混合”機(jī)制。球磨70 h后,粉體主要由納米晶Fe(Al,Cr)構(gòu)成,晶粒尺寸約為12.9 nm。球磨70 h的Fe-40Al-5Cr粉體在從室溫到873K的熱處理過程中,發(fā)生了由Fe(Al,Cr)固溶體向有序B2-FeAl(

7、Cr)金屬間化合物的轉(zhuǎn)變,同時伴隨著明顯的晶粒長大。Cr成分在MA及隨后熱處理過程中抑制了Fe-40Al-5Cr粉體的成分均勻化及有序化轉(zhuǎn)變。
　　 MA Fe-40Al-5Cr納米晶粉體,1023 K真空退火后,再經(jīng)1523 K、25 Mpa熱壓成致密塊體。熱壓塊體由B2-FeAl(Cr)及少量的Al2O3構(gòu)成。熱壓導(dǎo)致晶粒長大,但晶粒尺寸仍在納米級。FeAl(Cr)塊體的壓縮強(qiáng)度高達(dá)1391 Mpa,維氏硬度為853 HV0