B2型FeAl金属间化合物的制备及性能研究进展

　第27卷第5期2009年10月 粉末冶金技术Powder M et a llurgy Technology Vol 127,No 15

Oct 12009

B 2型Fe A l 金属间化合物的制备及性能研究进展

3

宋海霞

1),2)33

　吴运新

1)333

　巩前明1)　袁帅

1)

1)(清华大学机械工程系,北京　100084)2)(陆军航空兵学院机械工程系,北京　101123)

摘　要:　对B 2型FeA l 合金的制备和性能研究现状进行了综述和分析。Fe A l 合金的制备工艺主要包括熔铸

法和粉末冶金两种。Fe A l 合金的室温韧性可以通过合金化、细化晶粒、热处理和复合韧化等方法改善。合金化对提高Fe A l 高温强度和蠕变抗力有效,通过引入第二相粒子实现沉淀强化和弥散强化的效果最好,合金的使用温度有望提高到700℃以上。

关键词:FeA l 金属间化合物;制备;韧化;高温强度;蠕变抗力

Research advances i n prepara ti on and properti es

of FeA l (B 2)i n ter m et a lli cs

Song Ha i x i a

1),2)

,W u Y unx i n 1),Gong Q i a nm i n g 1),Y uan Shua i

1)

1)(Depart m ent of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China )2)(Depart m ent of M echanical Engineering,A r my Aviati on I nstitute of P LA,Beijing 101123,China )

Abstract:The research advances in p reparati on and p r operties of Fe A l (B 2)inter metallics were revie wed 1Casting and powder metallurgy are maj or methods f or Fe A l p reparati on 1Effective t oughening of FeA l can be achieved by all oying,gain 2size refine ment,heat treat m ent and incor porating int o composites 1A ll oying als o hel p s t o increase the high te mperature strength and creep resistance by intr oducing secondary 2phase particles f or p reci p itati on hardening and dis persi on strengthening,and the service te mperature of Fe A l is expected t o be above 700℃1Key words:Fe A l inter metallics;p reparati on;t oughening;high 2te mperature strength;creep resistance

3国家自然科学基金资助项目(50574052)33宋海霞(1975-),女,硕士研究生。333通讯作者:吴运新,男,教授。收稿日期:2008-06-05

Fe 2A l 金属间化合物(Fe A l 和Fe 3A l )原料丰富、

成本低廉、密度低、比强度高、耐磨性好、抗氧化(硫化)、抗腐蚀性优异,作为新一代中高温结构材料和不锈钢替代材料,在熔炉装置、热交换管道、汽车阀门、熔盐设备构件等高温恶劣环境中的应用有着广

阔前景[1]

。B 2型Fe A l 合金由于含A l 量高,其抗腐蚀性、抗氧化(硫化)能力较Fe 3A l 优异,密度更低,仅为其它铁基或镍基合金的30%～40%[1-6]

。但是,迄今为止,Fe A l 合金尚未实现大规模的工业应用,主要原因在于铁铝金属间化合物的两大缺点尚

未得到根本解决[5]

,即:室温脆性大,且A l 含量越

高,由晶界弱化造成的脆性越严重,加工困难;温度超过600℃后强度急剧下降,抗蠕变性能差,高温应用极限不高。近年来,Fe A l 合金的研究主要集中在改进制备工艺和合金化方面,以提高其力学性能。

1　FeA l 合金的制备工艺

111　熔铸法

熔铸法制备Fe A l 合金必须考虑到其与传统熔

铸合金的不同之处[4]

:Fe A l 合金中A l 含量远远高于传统合金,A l 与Fe 的熔点相差较大;Fe A l 合金的形成过程具有反应放热的特点,致使熔池温度急剧

上升引起过热;浇铸过程中容易引入氢原子,导致铸锭中产生大量孔洞。因此,必须对传统的熔铸工艺加以改进才能用于Fe A l合金的制备。采用Exo2 Melt熔炼工艺,可较好地控制过热现象,成功制备出煤气炉热交换管[2]。采用一种称为“Tea Kettle”的方法,由氧化铝熔渣保护金属液,可显著减少液态金属的氧化[7]。铸态Fe A l合金通常需进行热压力加工以提高其力学性能[8-9]。

112　粉末冶金法

粉末冶金法是制备Fe A l合金的另一种重要工艺。原料粉末可以是元素Fe粉和A l粉,也可以是预合金粉末。A lexander等[10]将气雾化的Fe A l合金粉末进行热挤压后,组织致密、晶粒细小,与晶粒粗大的铸态合金相比,强度和塑性均大幅提高。

Fe、A l元素粉末压坯进行无压反应烧结时,由于Fe和A l的扩散系数相差很大,烧结体会因科肯塔尔现象产生大量孔隙、体积膨胀,难以获得高的致密度[11-13];含A l量越高,无压烧结膨胀现象越严重。无压烧结研究工作集中在如何提高烧结体的致密度方面。Gedevanishvili等[13]发现Fe-40%(原子数分数)A l合金烧结体的致密度对烧结时的升温速率非常敏感,降低烧结升温速率可显著提高烧结密度。

将Fe、A l粉末采用自蔓延高温合成[14-16]和机械合金化[17-22]等方法进行预合金化后再进行固化烧结,加工工艺相对较为复杂,但可制备致密度较高、力学性能较好的块状Fe A l合金,受到研究者的广泛关注。预合金Fe-A l粉末采用的方法主要包括粉末注射成形[14-15]、热等静压[17]、热压或热挤压[18-21]、放电等离子烧结[22]等。Krasnowski等[18]将机械合金化后的Fe-50%A l粉末,经热压后相对密度接近100%,硬度达到1235HV012。

2　FeA l合金的韧化方法

近年来,国内外针对Fe A l合金的脆性问题展开了大量研究,其脆性的主要原因是环境氢脆、晶界弱化和空位脆化[3]。主要的韧化方法包括:合金化、细晶韧化、复合韧化、热处理韧化、优化制备工艺等。211　合金化

B是改善Fe A l合金韧性最常用的元素。B大量偏聚在晶界处,浓度比基体内部高出数倍,形成位错密度很高的高能区域,原子易扩散从而加速了热空位的消除[23],强化了晶界。L iu等[3]认为B可抑制沿晶断裂,但是对环境氢脆的抑制作用则较弱。

Ki m等[24]发现,高含量的B(质量分数为3%)使铸造Fe A l合金的伸长率由218%提高到811%,但对机械合金化Fe A l合金的塑性并无改善。Kat o 等[15]采用粉末注射成形工艺得到Fe A l拉伸试样,添加015%(原子数分数)B后,Fe248%A l合金的伸长率由013%提高到110%,而Fe245%A l合金的伸长率却稍有降低。Cohr on等[8]研究了添加B对Fe A l合金(A l的原子数分数为40%～48%)室温超高真空中拉伸塑性的影响。结果表明:B的添加使各合金的塑性均有不同程度的提高;但随着含A l量的增加,Fe A l合金的晶界不断弱化,B对沿晶断裂的抑制能力随之降低,含A l较高的合金塑性仅有少量改善。上述研究结果表明,B元素对Fe A l合金尤其是含A l量较高合金的室温塑性的影响机制较为复杂,其适当的添加量应依据合金成分和加工工艺作进一步的研究。

其它合金元素如:Mo、Zr、C等元素也有利于提高Fe A l合金的室温塑性[3,25-26]。Mo的作用在于既增大解理强度又提高了晶界结合能,Zr能形成化合物起到细化晶粒的作用。Fe A l合金中加入少量C 元素能形成碳化物,碳化物分布在基体上束缚住氢原子,阻止其扩散,从而降低了合金的环境脆性。212　细化晶粒

细化晶粒是一种提高合金塑性的有效方法[27-28]。Chao等[21]研究了应变速率、试样表面状态及晶粒尺寸对机械合金化Fe-40%A l合金拉伸塑性的影响。结果发现:晶粒尺寸对合金塑性的影响最大;晶粒细化后,可以减少应力和应变的集中,阻碍裂纹的萌生,从而使合金的塑性明显提高。213　热处理韧化

Fe A l合金在高温加工过程产生的大量的热空位,快速冷却到室温时会保存下来,使合金硬化和脆化;而且随着含A l量的增加Fe A l合金中的空位随之增加。只有通过低温长时间热处理才能消除过量的热空位,合金的塑性也会随之明显提高[29]。

214　复合韧化

采用纤维或颗粒增强形成复合材料成为改善Fe A l合金力学性能、促进其实用化的有效途径之一。常用的强化相多为陶瓷材料[30-34],如A l

2

O3、Si C、Ti C、Ti B2等。

283粉末冶金技术 2009年10月