（材料学专业论文）冷轧和熔焊对feal合金层组织结构及高温抗氧化性能的影响.pdf

入 ； t n a 西魄u n i v e r s 蚵o f a 删1 a u t i c sa n d 舡删i c s t 1 舱g r a d u a t es c h 0 0 1 c o l l e g eo fm a t 茚a ls c i 伽c e 锄d t e c _ h n o l o g y i n n u e n c e so fc o l dr o u i n g a n df u s i o nw e l d i n g o nt h em i c r o s t r u c t u r e a n dh i g h 。t e m p e r a t u r e o x i d a t i o nr e s i s t a n c eo f f e - a la l l o y e dl a y e r a t h e s i si i l m a t e r i a l o g y b y c o n g w d a d v i s e d b y p r o 抛z h e n 西吼 s u b i l l i t t e di np 抓i a lf u l f i l l n l e n t o fm ei 沁q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 ： 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：仁钐 一 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 f e a l 合金具有优异的耐腐蚀性和高温抗氧化性能，但室温脆性及难以加工成型限制了其 作为整体块材的应用。而采用表面技术在韧性基体表面制备f e a l 合金层，则不仅可以发挥 f e 甜合金的优异性能，而且可以解决f e - a l 合金整体块材难加工的缺点。 本文利用热浸镀铝后真空扩散技术和双层辉光等离子表面冶金技术，分别在q 1 2 3 5 基体表 面成功制备出f e a 1 合金层。通过s e m 分析、x 射线衍射、显微硬度检测、纳米压痕实验、结 合力检测等对所处理材料表面合金层的组织、结构、硬度、结合力等进行了检测和分析，并对 f e - a l 合金层进行了不同形变量的冷轧试验和焊接试验，探索了冷轧和熔焊对f e m 合金层组织 结构及高温抗氧化性能的影响。 结果表明：热浸渗铝合金层厚度( 去除表面富铝层) 在1 7 0 陋l 左右，主要物相为f c 砧相； 双辉渗铝合金层厚度在7 0 岬左右，主要物相为f e a l 和f e 3 m 相。热浸渗铝试样经2 0 5 、3 4 1 、 4 0 9 三种冷轧形变量后合金层与基体结合良好，未出现合金层脆裂、剥落现象，冷轧后合金 层产生微观应变，使其8 0 0 的高温抗氧化性能与冷轧前相比分别下降了2 3 、6 8 和8 4 ； 双辉渗铝试样经1 5 9 、3 1 8 、4 5 5 三种冷轧形变量后，也未出现合金层脆裂、剥落现象， 但合金层中的微观应变更大，导致其8 0 0 的高温抗氧化性能与冷轧前相比分别下降了3 6 、 9 0 和1 4 2 。采用钨极氩弧焊填充a 3 1 2 s l 不锈钢焊丝分别对两种渗铝试样进行熔焊试验， 结果显示焊后渗铝层与基体、渗铝层与焊缝结合良好，渗铝层未发生大面积烧损，在焊缝熔合 区附近各合金元素之间相互扩散，x i 显示熔合区附近的主要物相为a 1 2 c r 、a l c r f e 2 以及( f e ， c r ) 固溶体。以q 2 3 5 钢基体为参照物，焊后热浸渗铝试样和双辉渗铝试样的8 0 0 高温抗氧化 性能与各自焊接前相比，分别下降了1 3 和8 5 。 关键词：f e 甜合金，组织结构，冷轧，钨极氩弧焊，高温氧化性 冷轧和熔焊对f e a l 合金层组织结构及高温抗氧化性能的影响 a b s t r a c t f e 舢b 舔e da l l o y sa r er e g a r d e d 勰p r 删s i n gm a t i 砸a l sf 0 r 协d l l s t r i a l 印p l i c a t i o 舾b e c a u s eo f m e i re x c e l l e n tc o 盯o s i o n 甜l do x i 蜘o nr e s i s t a i l c e h o w e v t 墨i ti sd i m c u l tt o 妇b r i c a t ec o l l l i ) 0 n e n t s u s m gm 嬲s i v ef e - a lb 髂e dm a t e r i a l sd u et 0i t si i i h e r e n tb r i t t l e n e s sa tr o o mt e i i p e m t i l r e r e c e i l t l y ， s u r f k ec o a t i n gt e c l l i l 0 1 0 舀e sh a v ea t n 。犹t e df e s e a r c h e r st op 础c ef e a li n t e 锄e t a l l i c 锄t i - c o r m s i o n c o 疵g so nt h es u r f a c eo fc o i i 】p o n e n t s ，w h i c hp r o v i d e saf e 硒i b l ea p p r o a c ht 0t t l ea p p l i c a 缸。璐o f f e - a l 毗珊e “1 i cc o n l p o l l i l d h lm i sp a p f e - a la l l o y e dl a y e r sw e ：r ep r e p a r e do n 血eq 2 3 5s t e e lb yu s i l l gh o td i pa l l 册j i l i z e d t e c h n o l o 影锄dd o u b l e9 1 0 wp l 跚盼s u r f a c ea l l o y 咄( d p s a ) t e c h n 0 1 0 跚r e s p e c 缸v e l y - t h e l i l i c r o s t m c t i l r e ，e l e m e r l t sd i s t r i b u t i o l l ，p h 嬲ei d e n t i f i c a t i o n 锄d1 1 1 i c r o - h a 幽e s sw e 陀a 1 1 a l l 弘把db y o p t i c a li i l i c r o s c o p e ( o m ) ，s c 锄l l i n ge l e c 臼o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，e n e r g yd i s p e r s i 、，es p e c 仃o m e t e r ( e d s ) ，x 啦yd i m a c t i o n ( ) 觚dn 柚。一i 1 1 d e i i t a t i o n t h e n l ef e a la l l o y e dl a y e l l sw e r ep 玎o c e s s e d m l d e rd i 任i c r c n td e f o 加：1 a t i o nm t e so fc o l dr o l l i n g 觚dc 彻d u c t e du s i l l gg 鹪a r ct l l n g s t e nw e l d i i l g p r o c e s s ，r e s p e c 廿v e l y t h ei n f l u e n c e s0 fc o l dr o l l i i l ga 1 1 df i l s i o nw e l d i n g0 nm e1 1 1 i c r o s m l c t l l r e 姐d l l i g l l - t e i 印e r a t u r eo x i d a t i o nr e s i s t a r l c eo ff e a la l l o y e dl a y e rw e r ei n v e s t i g a t e d 。 a nn 圮r e s u l t si l l d i c a t em a tad e t l s ef e - 一ma l l o y e dl a y e rh a db e e i ls y l 仙e s i z e do n 圮汕矗c e0 f q 2 3 5s t e e lb yh o td i pa l u i l l i l l i z e dt e c h n i q u e ，吐l ea v e m g et l l i c h e s so fm ea l l o y e dl a y e ri s 枇u t1 7 0 p m 锄dm e 肌曲p h a s ec o n l p o s i t i o i l so f l ea l l o y e dl a y e ri sf e 舢p l 粥e ；1 kt 1 1 i c k n e s so f 吐圮a l l o y e dl a y e r p r e p l 黜db yd p s a i sa b o u t7 叫m 蛳d 圮a l l o y e dl a y e ri sc o l p o s e do f 融ua n df e 3 灿c 吼驴0 u n d p h a s e s t h eh o td i pa l u m m z e dl a y e r s 、e r ep r o c e s s e dd i 妇f e r e n tc 0 1 dr 0 1 1 i i 培r e d u c t i o i l s ( 2 0 5 ，3 4 1 锄i d4 0 9 ) ，w 1 1 i l en l ed p s aa l u i i 】j n i 孔di a 稻w e 陀c o n d u c t e d1 5 9 ，3 1 8 ，4 5 5 c o l dr o l l m g 他d u c t i o 璐，r e s p e c t i v e l y t h e 妇e 如c eb e t w e e nm e f e - a la l l o y e dl a y e 硌a n dm es u b s 缸a t el l s i i l gh o t 郇a l 啪i i l i z e dt e c l l l l o l o 鼢笛w e l l 锯虹l ed p s at e c h n o l o 鼢c l l a m c t 毗猃sb ym e t a i l u 嚼c a la m 圯陀锄d n o 懿c t u f e 锄dd e l 舭l i i 】眦i o nh 鹤b e e nf o u n da 船rc o l dr o l l i i l gp r o c e s s t h el o n g 删1 9 eo r d 盯h 雒b e 饥 d e s 仃o y e dd 耐n gt l l ec o l dr o l l i l 唱p r o c e s s 锄d 圯m i c r o s 恤i i ls l o w l yi i l c 托鹪e s 嬲m ec o l dr o l l i l l g 他d u 嘶0 nr i s e s 五吖b o ma l l o y e d l a y e l l s 1 1 l e f e 越 a l l o y e d1 a y e r s s t i n p o s s e s s e x c e l l e n t l l i 曲t e n l p e r a t i 0 x i d a t i o nr e s i s 切n c ea t8 0 0 。ct c n 驴m t u r e 世e rc o l dr o l l i i l gp r o c e s s f o rm eh o td i p a 1 1 瑚j n j z e dl a y e r ，岫w e i 出g a i l l 血r e 嬲e sb y2 3 ，6 8 a n d8 4 s u b j e c t e d2 0 5 ，3 4 1 a n d 4 0 9 c o l dr o l l i i l gr e d u c t i o 璐，r e s p e c t i v e l y w 1 l i l et l l ew e i g h tg a j l li n c r e 舔e sb y3 6 ，9 0 锄d 1 4 2 s u b j e c t e d1 5 9 ，3 1 8 锄d4 5 5 c o l dr o l l i n gf e d u c t i o i l sf o rt l 圮d p s al a y e r w b l d i i l gq 2 3 5 南京航空航天大学硕士学位论文 a l m i l i i l i z e ds t e e lw a sc o n d u c t e dl l s i n gg a sa r ct i l i l g s t 髓w e l d i i l gp f o c e s s t h e s u l t ss h o wt i l a tm e e l e m e 船o f c r n ia i l d 灿v a d rg r a d i e n t l y 北a rf i l s i o nl 址锄dm en 埝访p h 撇c 伽叩o s i t i o 璐o f m e f h s i o na r e aa 托2 c r 砧c r f e 2a n d ( f e ，c r ) s o l i ds o l u t i o n 1 k0 x i d a t i o nc u r v ea tt 1 1 et e m p e r a t l 鹏o f 8 0 0 。cf o l l o w sp a r a b o l i cl a ws i r l l i l a l l yw i 恤1o x i d a t i o nt i 眦t h eo x i 胁i o nf i l l l l so fm e 觚i o n 撇a a r ec o i l s i s to f 灿2 0 3 ，c r 2 0 3a n df e 2 0 3 1 1 l ef e - a la l l o y e dl a y e r sl l s i n gh o td i pa l u i i l i i l i z e dt c c l l i l o l o 影 a n dd p s at e c l l i l o l o g ys 廿up o s s e s se ) 【c e l l e n tl l i g h 曲即1 p 咖r eo x i d a t i o nr e s i s t a l l c e 加w e l d i n g p r o c e s s 锄d 吐圮w e i 曲tg a i l li n c r c a s eb y1 3 孤d8 5 ，咒s p e c t i v e l y ，c 伽叩a r e d 谢t 1 1t l ：屺硼1 w e l d e d 戏叮l p l e k e yw o r d s ：f e a la l l o 弘l i l i c r o s 价l c t l l r e ，c o l dr o l l i n g ，g 淞a r ct l l n g s t e n 、) l ，e l d ，o x i 曲i o nr e s i s t 锄c e 冷轧和熔焊对f e a l 合金层组织结构及高温抗氧化性能的影响 蠢 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 金属间化合物。l 1 2f e - a l 金属间化合物l 1 2 1f e 甜金属间化合物的晶体结构及性能特点2 1 2 2f e a l 合金室温脆性的改善途径3 1 3 热浸镀铝5 1 3 1 热浸镀铝工艺5 1 3 2 热浸镀铝原理。5 1 3 3 热浸镀铝的研究现状5 1 4 双层辉光等离子表面冶金技术6 1 4 1 双辉技术原理6 1 4 2 双辉技术优点7 1 4 3 双辉技术的研究现状7 1 5 本课题的研究意义及内容8 1 5 1 课题的提出8 1 5 2 研究内容。8 第二章q 2 3 5 钢表面f e a l 合金层的制备1 0 2 1 研究方案设计1 0 2 2 试验材料与设备1 1 2 2 1 原材料的选择与处理1 l 2 2 2 试验设备11 2 3 试验方法与试验过程1 3 2 3 1 热浸镀铝制备f e - a l 合金层1 3 2 3 2 双辉工艺制备f c 舢合金层1 4 2 3 3 冷轧试验1 7 2 3 4 焊接试验1 7 2 3 5 高温氧化性能测试1 7 第三章f e 舢合金层的组织结构及力学性能研究2 1 3 1f e 朋合金层的组织形貌2 l v 冷轧和熔焊对f e - a l 合金层组织结构及高温抗氧化性能的影响 3 1 - 1 宏观形貌2 1 3 1 2 微观形貌2 2 3 2f e a l 合金层元素分布2 3 3 3f e a l 合金层物相分析2 5 3 4f e a 1 合金层显微硬度2 6 3 5 结合力测试2 9 3 6 本章小结3 0 第四章冷轧对f e a j 合金层组织及性能的影响3 2 4 1 冷轧对热浸渗铝合金层组织及性能的影响3 3 ， 4 1 - 1 表面宏观形貌3 3 4 1 2 表面微观形貌3 3 4 1 3 截面微观形貌3 4 4 1 4 微观结构变化3 5 4 1 5 高温抗氧化性能3 9 4 2 冷轧对双辉渗铝合金层组织及性能的影响4 6 4 2 1 表面宏观形貌4 6 4 2 2 冷轧后双辉渗铝层的表面微观形貌4 6 4 2 3 冷轧后双辉渗铝层的截面微观形貌4 7 4 2 4 冷轧前后双辉渗铝层的结构变化4 9 4 2 5 冷轧前后双辉渗铝层的高温抗氧化性能4 9 4 3 本章小结5 2 第五章焊接对f c 触合金层组织及性能的影响5 3 5 1 渗铝样品熔焊研究方案设计5 3 5 2 焊接对热浸渗铝合金层组织及性能的影响5 4 。 5 2 1 焊缝表面形貌5 4 5 2 2 焊缝截面形貌5 4 5 2 3 焊缝附近元素分布5 6 5 2 4 焊后熔合线附近的分析5 7 5 2 5 高温抗氧化性能5 8 5 3 焊接对双辉渗铝合金层组织及性能的影响6 0 5 3 1 焊缝表面形貌6 0 5 3 2 焊缝截面形貌6 1 南京航空航天大学硕士学位论文 5 3 3 高温抗氧化性能6 1 5 4 本章小结6 3 第六章结论6 5 参考文献6 7 致谢7 2 攻读硕士学位期间发表( 录用) 论文情况。7 3 冷轧和熔焊对f e a l 合金层组织结构及高温抗氧化性能的影响 图表清单 图清单 图1 1b 2 和d 0 3 型晶体结构2 图1 2 双层辉光等离子表面冶金技术原理示意图7 图2 1 课题研究方案1 0 图2 27 5 1 0 型井式电阻炉1 1 图2 3 双辉等离子渗金属炉。1 2 图2 4s x 2 4 1 0 试验电阻炉1 2 图2 5 热浸渗铝工艺流程图1 3 图2 6 双层辉光等离子渗铝结构布置示意图1 5 图3 1 热浸镀铝扩散前后试样宏观形貌。2 1 图3 2 双辉渗铝后试样宏观形貌。2 2 图3 3 热浸镀铝试样扩散后微观形貌2 2 图3 4 双辉渗铝后试样微观形貌2 3 图3 5 热浸镀铝试样扩散后e d s 图谱一2 4 图3 6 双辉渗铝试样e d s 图谱2 5 图3 7 热浸镀铝试样扩散后表面图谱2 6 图3 8 双辉渗铝试样表面x r d 图谱2 6 图3 9 热浸镀铝试样扩散后显微硬度分布曲线2 7 图3 1 0 不同试样的纳米硬度曲线2 7 图3 1 1 纳米压痕加卸载曲线2 9 图3 1 2 热浸渗铝试样划痕曲线3 0 j 图3 1 3 双辉渗铝试样划痕曲线3 0 图4 1 热浸渗铝试样冷轧后的表面宏观形貌3 3 图4 2 热浸渗铝试样冷轧后的表面微观形貌一3 4 图4 3 热浸渗铝试样冷轧后的截面微观形貌3 5 图4 4 热浸渗铝试样冷轧前后x 射线衍射的变化3 6 图4 5 点阵常数a 与冷轧形变量变化曲线一3 8 图4 6 微观应变与冷轧形变量变化曲线3 8 图4 76 5 0 不同氧化时间后热浸渗铝试样表面的宏观形貌4 0 图4 88 0 0 不同氧化时间后热浸渗铝试样表面的宏观形貌4 1 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 96 5 0 氧化l o o h 后热浸渗铝试样表面的微观形貌4 2 图4 1 08 0 0 氧化l o o h 后熟浸渗铝试样表面的微观形貌4 3 图4 1 16 5 0 热浸渗铝各试样的氧化动力学曲线4 3 图4 1 28 0 0 热浸渗铝各试样的氧化动力学曲线4 4 图4 1 36 5 0 氧化1 0 0 h 后热浸渗铝试样表面图谱4 5 图4 1 48 0 0 氧化1 0 0 h 后热浸渗铝试样表面图谱4 5 图4 1 5 双辉渗铝冷轧后的表面宏观形貌4 6 图4 1 6 双辉渗铝冷轧后的表面s e m 形貌4 7 图4 1 7 双辉渗铝冷轧后的截面微观形貌：4 8 图4 1 8 双辉渗铝试样冷轧前后x 射线衍射的变化4 9 图4 1 98 0 0 不同氧化时间后双辉渗铝试样表面的宏观形貌5 0 图4 2 08 0 0 氧化1 0 0 h 后双辉渗铝试样表面的微观形貌5 l 图4 2 l 双辉渗铝各试样的氧化动力学曲线5 2 图5 1 渗铝试样焊接尺寸图5 3 图5 2 热浸渗铝试样焊接后的宏观形貌5 4 图5 3 热浸渗铝试样焊接前后的组织形貌5 5 图5 4 热浸渗铝试样焊后基体侧熔合区组织划分图。5 5 图5 5 热浸渗铝试样焊后熔合线附近线扫描曲线。5 7 图5 6 热浸渗铝试样熔合线附近的的图谱：5 7 图5 7 热浸渗铝试样焊接前后氧化不同时间的表面宏观形貌5 8 图5 8 热浸渗铝试样焊接前后氧化1 0 0 h 的表面s e m 形貌一5 9 图5 9 热浸渗铝试样焊接前后的高温氧化动力学曲线。6 0 图5 1 0 热浸渗铝试样焊后氧化1 0 0 h 后熔合线附近x 射线衍射图谱6 0 图5 1 l 双辉渗铝试样焊接后的宏观形貌6 1 图5 1 2 双辉渗铝试样焊接前后的组织形貌6 1 图5 1 3 双辉渗铝试样焊接前后氧化不同时间的表面宏观形貌6 2 图5 1 4 双辉渗铝试样焊接前后氧化1 0 0 h 的表面s e m 形貌6 3 图5 1 5 双辉渗铝试样焊接前后的高温氧化动力学曲线6 3 表清单 表1 1 几种重要金属间化合物的物理性能1 表2 1q 2 3 5 钢的化学成分1 1 表2 2 双辉渗铝工艺参数1 7 冷轧和熔焊对f e a l 合金层组织结构及高温抗氧化性能的影响 表2 3 渗铝试样冷轧和焊接后高温氧化试样编号。2 0 表3 1 热浸镀铝扩散后合金层的各元素含量。2 4 表3 2 双辉渗铝合金层中f e 、m 元素含量2 5 表4 1 两种渗铝试样的冷轧形变量3 2 表4 2 热浸渗铝试样冷轧前后试样整体及合金层厚度3 5 表4 3 冷轧前后f e a l 相各晶面的衍射角度和点阵常数3 8 表4 4 双辉渗铝试样冷轧前后试样整体及合金层厚度4 8 表5 1a 3 1 2 s l 焊丝化学成分5 3 表5 2 熔焊试验工艺参数。5 3 表5 3 熔合线附近点能谱分析结果。5 7 - 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 金属间化合物 金属间化合物主要是指金属元素间、金属元素与类金属元素间形成的化合物。它因具有优 异的耐高温、抗氧化、耐磨损等优良特性而备受材料界的青睐，是介于高温合金和陶瓷之间最 有希望的高温结构材料之一。以金属间化合物为基体的合金或材料是一种全新的材料，普通的 金属材料都是以相图中端际固溶体为基体，而金属间化合物材料则以相图中间部分的有序金属 问化合物为基体。与传统的金属材料相比，其性能介于金属和陶瓷之间，所以被誉为半陶瓷材 料。对有关该类材料领域的研究，已成为当今材料复合化探索的一个热点。作为新型材料的金 属间化合物，其用途十分广泛，它耐高温、抗氧化、耐磨损的特点使其可望成为航空航天、交 通运输、化工、机械等许多工业部门重要的结构材料；而其所具有的特殊的声、光、电、磁等 物理性能，使其成为极具潜力的功能材料，如半导体材料、软磁材料等【1 一。金属间化合物种类 较多，在结构材料领域研究较多的是f e 系( f e 3 舢和f e a l ) 、n i 系州认l 和n i 3 灿) 和t i 系( t i 3 舢、 t i 砧p ，它们的物理性能如表1 1 所示。 表1 1 几种重要金属问化合物的物理性能 1 2f e 灿金属间化合物 f e a l 金属间化合物的研究始于2 0 世纪3 0 年代，经历了几次研究热潮，在2 0 世纪7 0 年 代末取得突破，到了8 0 年代f e - a l 合金作为一类结构材料面向应用得到广泛研究，到9 0 年代 研究人员对f e - a l 合金的反常屈服行为【4 】、室温脆性【5 】、合金成分的理论设计硼、微合金化对 f e 舢性能的影响f 8 ，9 】、f e a l 合金的制备工艺【1o 1 1 1 等方面都进行了较全面的研究。在我国，从 2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代中期，国家科委和有关部门先后把f e 舢金属间化合物的研究列入 “8 6 3 ”计划和一系列研究基金计划，使f e - a l 金属间化合物的基础性研究有了长足进展。但是必 须指出，f e a l 金属间化合物的应用研究远落后于基础理论研究，使这种性能优异的材料没能 冷轧和熔焊对f e a l 合金层组织结构及高温抗氧化性能的影响 得到预期的开发利用，使其推广应用受阻。从2 0 世纪9 0 年代中后期起，很多研究人员开始关 注f e - a l 金属间化合物的实用化研究，探索其实用化途径，并取得一些重要成剽1 2 j6 】。 1 2 1f e a l 金属问化合物的晶体结构及性能特点 1 晶体结构 铁铝基金属间化合物属于玻色欧莱依德型化合物1 6 1 ，其基本结构为体心立方，对体心立方 基本点阵结构而言，因为点阵结构上的异类原子排列具有某种规律性，如果改变这种排列规律， 就会产生以体心立方点阵为基本结构的各种不同结构，f e 舢金属间化合物的性质也随着结构 的变化而变化，b 2 和d 0 3 型晶体结构如图1 1 所示。其中f e 灿合金是b 2 型结构的长程有序金 属间化合物，研究认为叭1 8 】，b 2 型存在的f e a l 成分和温度范围都是比较宽的。它可以固溶一 定数量的第三组元，有利于通过合金化改善材料的性能。b 2 型计量比的f e a l 晶格常数为 0 2 8 9 5 衄，当它固溶m n ，t i 和c 时晶格常数变大，而固溶c o ，v 和c r 时晶格常数变小。偏 离计量比富f e 的合金多余的f e 原子占据亚点阵，而富a l 的f e a l 合金的结构尚不十分清楚。 f e oa i 图1 1b 2 和d 0 3 型晶体结构 2 性能特点 f e 舢合金( f e a l 、f e 3 砧) 具有密度低、比强度高、抗氧化耐腐蚀等优点，能够在较高的 温度和恶劣的环境下进行工作，有可能代替现役的某些高温合金而成为工程应用的候选材料 【1 9 】。由于不含稀贵合金元素c r 、n i 、t i 等，其成本仅为不锈钢的l 3 ，在民用工业领域中的应 用前景十分广阔、包括加热元件、炉内紧固件、热交换器管、烧结多气孔气体金属过滤器、汽 车和其他工业阀构件、催化转炉衬底和熔盐设备构件掣2 0 2 1 】。但f e - a l 合金作为整体材料的主 要缺点是材料的室温脆性大、塑性和韧性差、抗拉强度低，从而造成材料难以加工成形，不宜 用于重要结构件和高精度复杂零件，限制了其工业化应用【2 2 ，2 3 】。有些学者对f e 灿合金的抗氧化 性和抗腐蚀性能进行了研列2 4 1 ，所用样品为f e _ 4 0 灿、f e _ 4 0 a 1 1 b 和f e 3 6 灿一4 s i 。氧化实验在 1 0 0 0 的条件下进行1 0 0 小时。结果表明，f e a l 合金的氧化速率仅为同等条件下l c r l g n i 9 t i 三分之一。它也具有良好的耐腐蚀性能，主要是由于在遭受腐蚀时表面形成了a l ：o ，钝化膜。 2 i 南京航空航天大学硕士学位论文 虽然f e m 系金属间化合物优点很多，但如何克服其室温脆性一直是一个棘手的问题。一 般认为口5 1 ，金属间化合物的脆性与其结合键的性质、晶体结构、缺陷敏感度、有序度以及环境 影响有关。引起f e - a l 金属间化合物的室温脆性的原因，多数人认为是由于有序能高以及构成 合金组元的原子尺寸、化合价不同，在晶界附近造成不均匀电荷分布，导致晶界结合力降低。 合金不但晶界弱，晶内键合也差，造成低的解理强度。许多学者的研究证明，除材料本身的因 素外，环境也严重影响金属间化合物的塑性，特别是氢的存在使金属间化合物的塑性大大降低。 c t l i u 等人认为水蒸气是造成f e a l 合金脆性的主要原因，其作用机理与水蒸气对纯铝和铝合 金影响机理一样，发生如下反应： 2 彳，+ 3 厶l d 争彳厶仅十6 日十+ 6 p 一 ( 1 1 ) -， 在裂纹尖端，铝与水蒸气反应生成高活性的原子氢，进入合金，降低材料的性能。f e 合 金在空气中为穿晶断裂，而在氧气中为晶界分离破坏，这说明解理面比晶界更易受到环境的影 响。 1 2 2f e 灿合金室温脆性的改善途径 虽然f e 舢合金存在室温脆性大、难加工等缺点，但是这些缺陷并不是一成不变的，由于 它具有耐高温、耐腐蚀和宜在高温下使用等优越性能，加上其低廉的成本，人们必将加快解决 其主要的缺点，不断改善和提高其性能，在此基础上进一步加快成品的开发。其中微合金化、 开发新的制备工艺和采用各种表面技术可有效的改善其缺点，扩大其应用范围。 1 多元合金化 采用现代的冶金工艺，通过添加合金元素，控制合金的成分和组织，从而改善f e - a l 合金 的综合性能。研究表明，合金元素在改善f e 舢合金室温脆性方面具有一定的效果。室温下纯 f e a l 合金的延伸率只有2 _ 4 ，而添加2 一6 的c r 可以使f e 舢合金的室温塑性提高1 倍， 即达到4 8 【9 1 。c r 之所以提高室温塑性是因为c r 增大了解理强度，部分地消除了解理断裂， 并使反向边界能( a p b 能) 降低，形成超位错的四个位错间的空隙也增大，超位错的分解和滑 移将变得容易。从位错触b 反应的角度看，c r 减少了晶界处的应力集中，可以防止晶间开裂嘲。 根据强化理论，通过添加微量的b 、n b 、z r 等元素，如果这些元素能够在f e 甜基体形成 细小弥散分布的强化相，也可以提高其室温塑性。但是这在工艺工程中很难控制，如果沉淀相 富集，反而会使室温脆性增加，加工性能恶化鲫。 2 新型制备工艺 在f e 舢合金的制备中，同一成分的合金，由于加工方法不同及工艺参数的改变，可能会 使最终的组织和性能相差甚远。传统的熔铸工艺可降低成本，提高效率，但晶粒粗大，易产生 成分偏析，降低f c 舢合金的室温塑性。八十年代以来，粉末冶金、快速凝固技术、燃烧合成 等新工艺应用到f e - a l 合金的制备，有效的改善了f e a l 合金的室温脆性。 3 冷轧和熔焊对f 争a l 合金层组织结构及高温抗氧化性能的影响 ( 1 ) 粉末冶金 通过粉末冶金可将极细的弥散粒子引入f e - a l 合金中，m c k a m e y 等2 8 1 发现弥散分布的棒状 t i b 2 有效地细化了晶粒，添加2 训：t i b 2 可使合金的室温和高温塑性均得到提高。 ( 2 ) 快速凝固工艺 近几年快速凝固工艺被用来改善金属间化合物的强韧性，这种工艺可使金属间化合物晶粒 细化，增大溶质原子的固溶度，甚至可产生非平衡组织。采用这种工艺制取的1 m 2 沉淀强化的 f e 舢合金室温延伸率达1 5 2 0 ，抗拉强度为9 6 0m p a 【1 2 1 。 ( 3 ) 燃烧合成 近年来f e 越合金的燃烧合成，以其独特的优点引起人们的注意，燃烧合成又称反应烧结 a c t i v es m 血g ) 或自蔓延高温合成( s h s ) ，是利用元素粉末间的放热反应来合成金属间化合 物。d l j o s l i n 【2 9 1 ，b h i 己a b i l l 等人研究了f e - a l 合金的燃烧合成，发现存在两阶段反应，第一 阶段反应从6 5 0 左右开始，仅持续几秒，然后在9 0 0 左右开始第二阶段反应，并能达到 1 2 5 1 3 5 0 高温。第一阶段反应产物主要是f e 舢3 以及少量富灿相，第二阶段反应产物主要 是f e 砧，f e 3 灿。采用燃烧合成工艺制备f e 2 8 a 1 5 c r ，最大室温延伸率达到7 屈服强度则 达9 5 0 m p a 。 3 采用表面技术制备f e a l 合金层 近年来，运用表面技术制备f e 甜合金层已引起了广泛关注，并已成为f e - a l 合金应用的 一个重要方向。采用表面技术在韧性基体材料上制备f e 舢合金涂层，这样一方面可以充分发 挥f e a 1 金属间化合物的优势，另一方面可以避开f e 舢金属间化合物块材室温脆性大、难加 工的劣势。 徐滨士院士【3 ”4 1 等采用高速电弧喷涂技术在2 0 钢表面原位合成了铁铝金属间化合物涂层， 并研究了涂层的显微组织与性能。结果表明，涂层具有较高的硬度、耐磨性和较低的孔隙率， 且与基体有良好的结合强度，降低了涂层的摩擦系数；涂层中f e 3 灿和f e 砧金属间化合物相较 高的高温强度和硬度能有效地阻碍裂纹的产生、扩展及扁平颗粒的断裂，从而使f e m 涂层表 现出优异的高温耐磨性。w - m r o z 【3 5 1 等采用激光熔覆技术在钢铁基材表面成功合成f e 舢金属间 化合物。我国的清华大学、北京科技大学、中科院力学所【3 8 1 等单位采用激光熔覆在普通钢材 表面制备出f e ，舢金属间化合物涂层。朱晓林等1 3 9 1 采用双层辉光等离子表面冶金技术在4 5 钢 表面成功制备出f e m 合金层。s h i g e a l ( ik 0 b a