（材料加工工程专业论文）fe3al钢异种材料扩散焊界面微观结构及扩散机制研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 f e 3 a l 金属间化合物具有良好的抗氧化、耐腐蚀性以及较高的抗高温蝙变性 能，但是f e 3 a l 金属间化合物氢脆敏感性较强，焊接过程中在接头处产生很大 的热应力，易导致产生焊接裂纹，焊接性较差。因此，焊接问题成为阻碍f e 3 a 1 金属州化合物推广应用的关键。 为了推进f e 3 a 1 金属间化合物在抗氧化、耐磨、耐腐蚀等工程结构材料中 的应用，本文采用真空扩散焊工艺，对f c 3 a 1 金属间化合物与q 2 3 5 低碳钢( 或 i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢，简称1 8 - 8 钢) 异种材料的焊接进行了试验研究，对 f e 3 a i q 2 3 5 及f e 3 a 1 1 8 8 扩散焊界面的微观组织结构和界面附近元素的扩散行 为进行了分析，给出f e 3 a 1 q 2 3 5 及f e 3 a i 1 8 8 扩散焊界面附近元素浓度场以及 界面过渡区宽度与扩散焊工艺参数的关系。 采用扫描电镜( s e m ) 分析了f e 3 a i q 2 3 5 及f e 3 a i 1 8 8 扩散焊界面的结合状 况以及界面剪切断口的微观形貌。研究了工艺参数对f e 3 a 1 q 2 3 5 及f e 3 a i 1 8 8 扩散焊界面结合特征和剪切强度的影响。试验结果表明：f e 3 a i 与q 2 3 5 钢扩散 焊时控制加热温度在1 0 6 0 左右，保温时间4 5 6 0 m i n ，焊接压力1 2 1 5 m p a ； f e 3 a l 与1 8 8 钢扩散焊时控制加热温度在1 0 4 0 左右，保温时间4 5 6 0 m i n ，焊 接压力1 2 1 5 m p a ，可以获得界面充分扩散结合，剪切强度较高的扩散焊接头( 仉 ( f e ，a i q 2 3 5 ) = 1 1 2 m p a ，吼( f 口a i 1 8 s ) = 2 2 6 m p a ) 。 本文提出的f e 3 a l l 钢异种材料扩散焊界面过渡区包括混合过渡区和靠近母 材两侧的过渡区。通过对f e 3 a 1 q 2 3 5 及f e 3 a i 1 8 8 扩散焊界面过渡区显微组织 的研究表明：f e 3 a 1 q 2 3 5 及f e 3 a i 1 8 - 8 扩散焊界面过渡区具有明显的扩散特征， 扩散焊界面两侧的过渡区相互交错，界面过渡区中弥散分布有第二相粒子，导 致扩散焊界面出现显微硬度峰值。控制加热温度1 0 6 0 c ，保温时间6 0 r a i n 时， f e 3 a 1 q 2 3 5 及f e 3 a 1 1 8 - 8 扩散焊界面显微硬度峰值分别为h m5 3 0 和h m 7 2 0 。 采用x 射线衍射仪( x r d ) 、电子探针( e p m a ) 和透射电镜( t e m ) 对 f e 3 a i q 2 3 5 及f e 3 a i 1 8 - 8 扩散焊界面过渡区形成的微观相结构进行了判定与分 析。结果表明，f e 3 a i q 2 3 5 扩散焊界面过渡区由f e a l 、f e 3 a 1 和叶f e ( a 1 ) 固溶体 构成，界面靠近q 2 3 5 一侧过渡区中的征f e ( a 1 ) 固溶体呈板条状分布，并且在 摘要 - f e ( a 1 ) 固溶体上弥散分布有少量f e 3 c 。a f e ( a 1 ) 固溶体与f 。3 c 之间存在着 0 0 1 。f e 【1 0 0 f e 3 c 与( 1 1 0 x f e ( 0 1 1 ) f 。，c 的晶体学位向关系。f e 3 a i 1 8 - 8 扩散焊 界面过渡区由f e 3 a 1 、f e a l 、c c f e ( a i ) 固溶体和n i 3 a l 构成。透射电镜观察 f e s a i 1 8 - 8 扩散焊界面附近出现了具有不同间距的f e 3 a l 位错对，甚至位错缠结 现象，这有利于提高扩散焊界面的结合强度。 根据f i c k 第二定律，并考虑实际焊接条件，通过增加初始条件和边界条件， 建立f e 3 a i q 2 3 5 及f e 3 a 1 1 8 8 扩散焊界面元素浓度场的数值分析模型，对 f e 3 a i q 2 3 5 及f e s a l 1 8 8 扩散焊界面附近元素的浓度分布进行计算分析，计算 结果与电子探针测试结果进行对比表明两者基本吻合。 通过电子探针( e p m a ) 分析f e 3 a i q 2 3 5 及f e 3 a i 1 8 - 8 扩散焊界面过渡区 a l 、f e 、c r 、n i 等元素的浓度和扩散分布，根据不同扩散焊工艺参数条件下元 素的扩散距离，确定a l 、f e 、c r 、n i 等元素在f e 3 a i q 2 3 5 及f e 3 a 1 1 8 8 扩散 焊界面过渡区中的扩散系数，建立界面扩散反应动力学方程，探讨扩散反应层 形成的潜伏时间以及扩散焊界面过渡区反应层的生长规律。结果表明相同温度 下元素在界面过渡区的扩散系数均大于母材中元素的扩散系数，因此 f e 3 a i q 2 3 5 及f e 3 a 1 1 8 8 接触界面的微观结构有利于促进元素的扩散，形成界 面过渡区。其中f e 3 a l q 2 3 5 扩散焊界面过渡区宽度x 2 = 4 8 1 0 4 e x p ( 1 3 3 0 2 0 r t ) ( t 一，o ) ；f e 3 a 1 1 8 - 8 扩散焊界面过渡区宽度，= 7 5 10 2 e x p ( 7 5 2 0 0 r t ) ( t f o ) a 本文首次研究了f e 3 a l q 2 3 5 及f e 3 a u t 8 - 8 扩散焊界面的微观组织结构及界 面附近元素的扩散机制。该研究工作为f e 3 a l 金属间化合物的推广应用提供了试 验依据和理论基础。所得出的研究成果对于进一步开展f e a 1 金属问化合物与其 他材料的扩散焊界面附近元素的扩散反应动力学内在规律的研究奠定了重要的 基础。 关键词：f e 3 a 1 金属间化合物；真空扩散焊；界面过渡区；微观组织结构：元素 扩散 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t f e 3 a ii n t e r m e t a l t i ch a se x c e l l e n tr e s i s t a n c et oo x i d a t i o na n dc o r r o s i o na n dh i - g h a b i l i t yt o r e s i s tc r e e pd e f o r m a t i o na th i g ht e m p e r a t u r e b u tf e 3 a 1i n t e r m e t a l l i ci s v e r ys e n s i t i v ei oh y d r o g e nb r i t t l e n e s s l a r g e rh e a ts t r e s sm a yb ep r o d u c e di nt h e w e l d i n gj o i n tt oc a u s ec r a c kw h e nf e 3 a ii n t e r m e t a l l i ci sw e l d e d t h e r e f o r e ，t h e w e l d a b i t i t yo ff e 3 a ii n t e r m e t a l l i ci sp o o r s ot h ew e l d i n gp r o b l e mo ff e 3 a 1 i n t e r m e t a l l i ci st h ek e yt oo b s t r u c ti t sw i d ea p p l i c a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ea p p l i c a t i o no ff e 3 a ii n t e r m e t a l l i ci nt h ee n g i n e e r i n g s t r u c t u r a lm a t e r i a l s ，s u c ha sr e s i s t a n c et oo x i d a t i o n ，c o r r o s i o na n da b r a s i o np a r t s ， f e 3 a 1i n t e r m e t a l l i ew a sw e l d e dt o g e t h e rw i t hq 2 3 5c a r b o ns t e e la n d18 - 8s t a i n l e s s s t e e l b yv a c u u md i f f u s i o nw e l d i n gt e c h n o l o g y m i c r o s t r u c t u r ei nt h ed i f f u s i o n w e l d i n gi n t e r f a c eo ff e 3 a l q 2 3 5 a n df e 3 a i i8 - 8a n dd i f f u s i o nb e h a v i o ro fe l e m e n t s i l e a l t h ed i f f u s i o nw e l d i n gi n t e r f a c ew e r ea n a l y z e d t h ee l e m e n tc o n c e n t r a t i o nf i e l d a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nw i d t ho fd i f f u s i o nw e l d i n gt r a n s i t i o nz o n ea n dd i f f u s i o n w e l d i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sw e r ee s t a b l i s h e d t h ec o m b i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds h e a rf r a c t u r e m i c r o - m o r p h o l o g yi nt h e f e 3 a i q 2 3 5a n df e 3 a 1 1 8 8d i f f u s i o nw e l d i n gi n t e r f a c ew a sa n a l y z e db ym e a n so f s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p y ( s e m ) t h ee f f e c to fd i f f u s i o nw e l d i n gt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r so nc o m b i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds h e a rs t r e n g t hi nf e 3 a i q 2 3 5a n d f e 3 a i 18 - 8d i f f u s i o nw e l d i n gi n t e r f a c ew a sr e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tb yc o n t r o l l i n gh e a t i n gt e m p e r a t u r ea b o u t10 6 0 h o l d i n gt i m e 4 5 6 0 m i na n dw e l d i n gp r e s s u r e1 2 1 5 m p a ，f e 3 a 1 q 2 3 5d i f f u s i o nw e l d i n gj o i n t w i t hs u f f i c i e n tc o m b i n a t i o ni n t e r f a c ea n ds h e a rs t r e n g t h 【11 2 m p ac a nb eo b t a i n e d ， a l l _ db yc o n t r o l l i n gh e a t i n gt e m p e r a t u r ea b o u t1 0 4 0 * c ，h o l d i n gt i m e4 5 - 6 0 m i na n d w e l d i n g 】p r e s s u r e12 - 15 m p a ，f e 3 a i 18 - 8d i f f u s i o nw e l d i n gj o i n tw i t hs u f f i c i e n t c o m b i n a t i o ni n t e r f a c ea n ds h e a rs t r e n g t hu pt o2 2 6 m p ac a nb eo b t a i n e d t h ed iv i s i o no nt h et r a n s i t i o nz o n eo fd i f f u s i o nw e l d i n gi n t e r f a c ew a s p u tf o r w a r dt o i n c l u d em i x e dt r a n s i t i o na n dt w 0t r a n s i t i o nz o n e sn e a rb a s em e t a l s t h er e s e a r c h r e s u l t so nm i c r o s t m c t u r e 】p e r f o r m a n c ei nt h et r a n s i t i o nz o n eo ff e 3 a 1 q 2 3 5a n d i i f e 3 a l 18 - 8l n d i c a t e dt h a tt h e r ew e r eo b v i o u sd i f f u s i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h e t r a n s i t i o nz o n e ，t h e r ed i s t r i b u t ed i s p e r s e d l ys e c o n dp h a s ep r e c i p i t a t i o n si n 【t h e t r a n s i t i o nz o n eo ff e 3 a i q 2 3 5a n df e 3 a 1 18 - 8d i f f u s i o nw e l d i n gi n t e r f a c et oc a u s e p e a k m i c r o h a r d n e s si n c r e a s en e a rt h ed i f f u s i o n w e l d i n gi n t e r f a c e m a x i m u m m i c r o h a r d n e s sn e a rt h ef e 3 a i q 2 3 5a n df e 3 a i 18 - 8d i f f u s i o n w e l d i n gi n t e r f a c ei s ： f m5 3 0a n dh m 7 2 0 ，r e s p e c t i v e l y ，w h e nh e a t i n gt e m p e r a t u r ei s1 0 6 0 。ca n dh o l d i n g t i m ei s6 0 m i n 。n e wf o r m e dm i c r o p h a s es t r u c t u r e si nt h et r a n s i t i o nz o n eo ff e 3 a i q 2 3 5a n d f e 3 a i 18 - 8d i f f u s i o nw e l d i n gi n t e r f a c ew e r ed e t e r m i n e da n da n a l y z e d t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h e r ew e r ef e a i ，f e 3 a ip h a s e sa n dc 【一f e ( a 1 ) s o l i ds o l u t i o ni nt h e t r a n s i t i o nz o n eo fe e 3 a i q 2 3 5d i f f u s i o nw e l d i n gi n t e r f a c e - f e ( a 1 ) s o l i ds o l u t i o n 【 n e a rt h eq 2 3 5s i d ei so r i e n t a t i o n a ta n dt h e r ed i s t r i b u t ed i s p e r s e d i yf e wf e 3 c a n dt h e o r i e n t a t i o nr e l a t i o nb e t w e e n 叶f e ( a i ) s o l i ds o l u t i o na n df e 3 ci s ( 1 1 0 ) a _ f e ( 叭1 ) f e 3 c a n d 0 0 1 】。f e ( 1 0 0 】f e 3 c t h e r ea r ef e a i ，f e 3 a i ，n i 3 a tp h a s e sa n dn - f e ( a i ) s o l i d s o l u t i o ni nt h et r a n s i t i o nz o n eo ff e 3 a i 18 8d i f f u s i o nw e l d i n gi n t e r f a c e t h e r ea r e d i s l o c a t i o nt w i nw i t hd i f f e r e n td i s t a n c ea n de v e nd i s l o c a t i o nt a n g l ei nt h et r a n s i t i o n z o n e ，w h i c hi s 。f a v o r a b l et oi m p r o v ec o m b i n es v e n g t ho ff e 3 a 1 18 - 8d i f f u s i o n w e l d i n gi n t e r f a c e a c c o r d i n gt of i c k ss e c o n dl a w a n dt h ep r a c t i c a lw e l d i n gc o n d i t i o n ，t h en u m e r i c a l a n a l y s i s m o d e lo fe l e m e n tc o n c e n t r a t i o nf i e l dn e a rt h ed i f f u s i o ni n t e r f a e eo f f e 3 a i q 2 3 5 a n df e 3 a i 18 - 8w a se s t a b l i s h e db y a d d i n gi n i t i a la n db o u n d a r y c o n d i t i o n s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw e r ec o m p a r e dt ot h em e a s u r e d r e s u l t sb y e l e c t r o n i cp r o b em i c r o a n a l y s i s ( e p m a ) a n dw a se s s e n t i a lc o n s i s t e n t s ot h e n u m e r i c a la n a l y s i sm o d e lo fe l e m e n tc o n c e n t r a t i o nf i e l d i sh e l p f u lt og u i d et h e d e t e r m i n a t i o no fd i f f u s i o nw e l d i n gt e c h n o l o g i c a l 。p a r a m e t e r sa n dt o p r o m o t e n f i c r o s t r u c t u r ep e r f o r m a n c e e l e m e n tc o n c e n t r a t i o na n dd i f f u s i o nd i s t r i b u t i o no f a l f e c ra n dn ii nt h ei n t e r f a c e t r a n s i t i o nz o n eo ff e 3 a i q 2 3 5a n df e 3 a 1 1 8 8d i f f u s i o nw e l d i n gw e r es t u d i e db y m e a n so fe p m aa n dt h e na c c o r d i n gt ot h ed i f f u s i o nd i s t a n c eo fe v e r ye l e m e n t ， d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t so ft h ea b o v ee l e m e n t si nt h et r a n s i t i o nz o n eo ff e 3 a i q 2 3 5a n d f e 3 a i 18 8w e r ec a l c u l a t e d i n t e r f a c ed i f f u s i o nr e a c t i o nd y n a m i c se q u a t i o nw a ss e t i v 山东大学博士学位论文 u p t h el a t e n t t i m ea n dg r o w t hr e g u l a r i t yo fd i f f u s i o nr e a c t i o nl a y e r si nt h e i n t e r f a c et r a n s i t i o nz o n eo ff e 3 a i q 2 3 5a n df e 3 a i 18 - 8w e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a td i f f u s i o nc o o 币c i e n t so f a i ，f c ，c ra n dn ii nt h et r a n s i t i o nz o n ea r em o r e t h a nt h a ti nb a s em e t a l s m i c r o s t r u c t u r ei nt h ei n t e r f a c et r a n s i t i o nz o n eo f f e 3 a i q 2 3 5a n df e 3 a i i8 - 8i sf a v o r a b l et op r o m o t ee l e m e n td i f f u s i o nt of o r mt h e t r a n s i t i o nz o n e ，w i d t ho ft h ei n t e r f a c et a n s i t i o nz o u 6o ff e 3 a i q 2 3 5d i f f u s i o n w e l d i n gi sc a l c u l a t e db y 妒= 4 8 1 0 4 e x p ( 一1 3 3 0 2 0 r t ) ( t - 如) a n dt h a to ff e 3 a i 1 8 - 8 d i f f u s i o n w e l d i n g i n t e r f a c e i sc a l c u l a t e d b y = 7 5 1 0 2 e x p ( 7 5 2 0 0 r t ) ( t 。t o ) m i c r o s t r u c t u r ca n de l e m e n td i f f u s i o nm e c h a n i s mi nt h ed i f f u s i o nw e l d i n g i n t e r f a c eo ff e j a i q 2 3 5a n df e 3 a i i8 - ga l ef i r s tr e p o r t e di nt h i sp a p e r t h es t u d i e s a l s op r o v i d ee x p e r i m e n t a lb a s i sa n dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r t h ew i d ea p p l i c a t i o no f f e 3 a ii n t e r m e t a l l i ct h ec o n c l u s i o n so b t a i n e df r o mt h i sp a p e rh a v ee s t a b l i s h e da n i m p o r t a n ti b u n d a t i o nt os t u d yd e e p l yt h ei n n e rr e g u l a r i t yo fe l e m e n td i f f u s i o n r e a c t i o nd y n a m i c sd u r i n gt h ed i f f u s i o nw e l d i n go ff e 3 a ii n t e r m e t a l l i ca n do t h e r d i s s i m i l a rm a t e r i a l s k e yw o r d s ：f e 3 a ii n t e r m e t a l l i c ；v a c u u md i f f u s i o nw e l d i n g ；i n t e r f a c et r a n s i t i o n z o n e ；m i c r o s t r u c t u r e ；e l e m e n td i f f u s i o n v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名： 日期一 山东大学博士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着当代科学技术的迅速发展，新材料的基础和先导作用日益明显，加速 发展新材料是国际高技术激烈竞争的重要日标。金属间化台物的研究和开发应 用足材料领域近年来倍受关注的热点之一【1 4 j 。金属问化合物既其有金属的较高 强度、硬度和陶瓷的高温强度，又能在氧化性气氛中生成致密的氧化膜，具有 良好的抗氧化性和耐腐蚀性能。因而被誉为半陶瓷材料，是一类檄具潜力的高 温结构材料。 2 0 世纪3 0 年代，研究者就已发现金属间化合物作为高温结构材料具有特殊 性能，因为余届问化合物的强度随温度的升高不是连续下降，而是逐渐升高后 才) i ：始下降。这种反常的强度一温度关系引起了众多研究者的兴趣。但是由于 金属间化合物的脆性问题未得到根本解决，这种材料的实用性研究和开发在相 当长的时间内停滞不前。7 0 年代后期，l l 本l z u m i 发现加入硼元素可以大大提 高n i 3 a i 金属问化含物的塑性f 4j ，这一工作使人们重新看到了研究会属间化合物 高温结构材料的希望和前景，在世界范围内又掀起了寻求能耐更高温度、强度 更高的新型金属问化含物的研究热潮，并取得了较大进展。 金属问化合物利i 类较多，目前嗣内外研究较多集中在n i _ a l 、t i a 1 和f e a l 系三大会届问化合物领域【5 。7 j 。n i a i 金属间化合物的研究主要集中在n i 3 a l 合金 的研究和，i ：发，重点是在改善塑性和提高强度方面，使其发展成为一种实用的 ：i + 程材料。刘丁二t i a i 金属川化台物，国内外主要从合金化和热处理列组织性能 的影响、加工技术以及力学性能等方面进行了系统的研究。但是n i a 1 和i i a i 系盒属问化合物价格昂贵，主要应用于航空航天等高科技领域。 十r 列于n i - a l 、ma 1 系金属m 化合物来说，f e a i 金属问化合物成本低廉， 具有更广泛的工业应用前景。但是，山于f e a l 金属问化合物室温脆性较大、 氢脆敏感性较强，裂纹问题突出，特别是焊接问题未能很好的解决。目前，焊 接问题成为阻碍f c a l 金属问化合物推广应用的关键，攻克f e a l 金属间化合物 与碳钢、4 i 锈钢异利t 材料的焊接难题只有重要的 土会和经济效益。 1 2f e - a i 金属问化合物的研究现状 1 2 1f c a i 金属问化合物的结构特点 f e a l 金属m 化合物的研究开始r2 0 世纪3 0 年代，经过几次研究热潮，至 7 0 年代术耿得突破。随后国内外研究者对f e - a 1 金属问化合物的制备工艺1 8 1 、 室温脆性f 9 j 、合金成分设计【1 ，“、机械合金化对f e a 1 金属间化合物的影响n 1 0 】 等做了大量的研究。如美幽海军装备实验室( 5 0 年代) 、福特汽车公司( 5 0 - - , 6 0 年代) 、衣阿华大学( 6 0 7 0 年代) 、美国橡树岭国家实验室( 8 0 9 0 年代) 等研 究机构刘f e a 1 金属问化合物制备工艺的改进和力学性能的提高作出了重要的 贡献f i i - 1 3 。 我困【 5 非常重视f c a 1 金属州化合物的研究与”发，8 0 年代【= _ l 期到9 0 年 代，国家科委先后把f e a 1 金崩日h e 合物的研究列入“8 6 3 ”计划和其他研究计 划，使f e a l 金属问化合物的研究有了长足进展1 “。 f e a 1 金属问化合物中最受关注的土要是f e n l 基金属间化合物。与f e ，a 1 相关的局部f e a i 合金状态图见图1 1 f 7 1 0 在f e 3 a i 附近主要存在的平衡相区包 括一f e ( a 1 ) 无序固溶体相区、b 2 型有序结构相区、d 0 3 型有序结构相区以及 a + b 2 、时d 0 3 两棚区。 f i g 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 2 i2 22 42 62 83 03 2 a 1 u m i n u n 3 a t 图】与f e 3 a i 有关的局部f e a i 合金状态图【。7 1 l o c a lf e a ie q t , i l i b r i u mp h a s ed i a g r a ms h o w i n gt h ef e 3 a 1p h a s e s p、鲁_理尘。 山东大学博士学位论文 铝含量2 5 a t r v 3 5 a t 时，室温下稳定的f e 3 a 1 金属间化合物具有d 0 3 型有 序超点阵体心立方结构，点阵常数为o 5 7 8 n m ( 铝含量2 5 a t ) 。随着温度和铝 含量的变化，该结构会逐渐向有序b z 型和无序a f e ( a i ) 固溶体结构转变。其中 f e 3 a 1 金属间化合物的b 2 型与d 0 3 型结构转变温度约为5 5 0 。 b 2 型和d 0 3 型有序体心立方结构的晶胞如图1 2 所示，当a l = a 2 p t 时为d 0 3 型结构品胞，d 0 3 型晶体结构是8 个体心立方晶胞组成的大晶胞，f e 原子占据c 【l ，0 【2 利p 位置，a l 原子占据t 位置：当1 7 , i = 毗，d = t 时为b 2 型结 构品胞，f e 原子占据l 和0 【2 位置，p 和y 位置被f e 、a i 原子随机占据。这两 种结构都是由体心立方转化而来的，具有较好的晶体对称性和类似于体心立方 戗一f e ( a i ) 固溶体的滑移行为。 图1 2 b 2 型利d 0 3 型有序晶体结构的晶胞 f i g 1 2 u n i tc e l l so f o r d e r e d b 2 a n d d 0 3 t y p ec r y s t a ls t r u c t u r e s 当f e 3 a l 金属问化合物中的合金元素以固溶体形式存在时，它们将占据 f e 3 a 1 金属间化合物中的点阵位置。常见合金元素有c r 、m o 、t i 、m n 、n i 、 c o 、c u 、s i 、g e 。中子衍射、x 射线衍射和场离子显微镜等分析测试结果表明 ：m n 、n i 、c o 原子进入i ，啦位置，替代a l 原子的最近邻f e 原予，c r 、 m o 、t i 原子占据6 位置，主要替代a l 原子的次近邻f e 原子；而c u 、s i 、g e 原予主要进入t 位置替代a l 原子。因此添加合金元素会影响f e 3 a 1 金属间化合 物的有序转变温度。添加c r ( 2 a t 6 a t ) 会降低d 0 3 一b 2 的有序转变温度， 起到稳定b 2 相区的作用，降低i 隔度约为5 c 1 9 】。添加m o 、s i 、t i 、n b 会提 高d 0 3 一b 2 的有序转变温度，其巾s i 、t i 元素的作用更为明显。合金元素对f e 3 a 1 金属间化合物d 0 3 一b 2 有序转变温度的影响见袁1 1 。 表11 含金元素对f e ) a i 金属问化台物d 0 3 一b 2 有序转变温度的影响m i 合金元素，a t 温度变化量 c合金元素，a t 温度变化量 c c r ( 2 - 6 )一( 5 - 1 0 ) w5 + 02 2 0 2 7 0 m ol5 3 5 m n5 o1 8 0 m o206 0 m n6 05 0 1 5 0 m o503 5m n1 2 0 5 0 - 1 0 0 n b l 03 5 - 6 0n i3 o1 7 0 t i3 01 0 0 - l5 0s i5 02 1 0 t i3 51 2 4 添加含金元素同时也会影响f e 3 a l 金属问化合物的有序转变动力学，如c r 年j ) m o ，j 素会延迟b 2 一d 0 3 的有序转变，在b 2 相区快速淬火合金中存在较少 的1 3 0 3 有序相。n b 元素的效果相反，高温下淬火f e 3 a 1 金属问化台物( 含n b 元素) 中会有较多的d 0 3 有序相。 1 2 2f e - a i 金属间化合物制备工艺的改进 f e a l 金属问化合物通常采用的制备工艺包括感应熔炼、真空熔炼、真空电 弧重熔以及电渣重熔等工艺方法。出于f e a l 金属问化台物室温塑性的提高主 要通过控制氢得以实现，因此，f e a l 金属问化合物最好应在真空、氩气、纯氧 气氛中熔炼制备f 2 n2 1 】。 f e a l 金属问化合物常用的熔炼工艺是用a r - 0 2 将f e 液脱c 、s ，然后加入 c r 、n i 等合金元素，将已处理的f e 液加入到已预热至5 0 0 的a l 液中，然后 通入氩气使其均匀化。该熔炼工艺的优点是成本低、a l 与炉衬反应小、效率高。 但采用这种工艺制备的f e a l 余属间化合物铸态组织晶粒粗大、力学性能较低， 室温伸长率只有2 定右，难以麻用于重要结构，需要通过合金化细化晶粒改善 组织或通过热形变细化晶粒，提高塑性。 改进制备工艺对提高f e a l 金属问化合物的组织和力学性能具有重要的意 义。粉末冶金工艺可以有效控制微观组织、细化晶粒，改善f c a l 金属问化合 物的塑性。b hr a b i n 等将f e 、a i 粉末加热到a i 的熔点温度附近，通过放热 反应将f 。3 a l 金属间化合物挤压成形，获得的f 0 3 a l 金属1 百j 化合物组织品粒细小， 山东大学博士学位论文 屈服强度达到3 5 0 m p a ，室温伸氏率达到1 0 1 2 “。 此外，爆炸挤压粉末法也能明显提高f e 3 a 1 金属间化合物的塑性。方法是 将f 。3 a i 铸锭合金磨制成1 0 m 的粉末，然后用爆炸挤压的方法制成合金棒。 人们发现采用这种工艺制备的f c 3 a 1 品粒细化了近一百倍，室温仲长率从2 提 高到8 1 2 ”。 采用适当的热加工工艺( 包括锻造、挤压、热轧、温轧等) 电能提高f e 。a l 金属问化合物的性能( 2 4 | 。在热轧和温轧过程之前采用锻造和挤压的中间加工工 艺，可以达到破坏铸锭中的柱状品，细化晶粒的目的，从而改变后续轧制工艺 的加工性能。再结晶温度以上的热轧使f e 3 a 1 金属问化合物的晶粒进步细化， 再结晶温度以下的温轧可以使晶粒成为条状形态，有利于降低氢原子的扩散通 道，提高f e 3 a l 的窀温塑性。不同热加工和热处理工艺获得的f e 3 a l 的力学性 能见表1 2 。 表1 24 i 同热加l 和热处理1 艺获得的f e 3 a 1 金属间化合物的力学性能 t a b l e2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f f e 3 a 1w i t hd i f f e r e n t h e a t p r o c e s s i n g a n dh e a t h e a t m e n t 台余系热加l 工工芏，热处理 抗拉强度 屈服强度 伸妊牢 m p a，m p a， 弊锻造珥轧制再结品温度以i 。退火4 6 1 2 6 06 2 7 f c 以i 经锻造再轧制再结品温度以r 退火 5 9 03 l ol o1 3 ( 51 c 。0 。i z 00 5 b 1 绎挤垤再轧制_ 丘结晶温度以下堪火 6 3 93 4 01 2 2 7 避免在铸锭中形成穿晶组织、缩孔、缩松和热裂纹等缺陷是对f e 3 a 1 金属 问化台物进行热加工工艺的重要条件。热锻和热挤压是破碎f e a l 金属问化合 物铸锭中的柱状晶、细化晶粒、减少热裂纹的有效方法。 热处理工艺对f 。3 a l 金属问化合物的力学性能有显著的影响。f e 3 a 1 金属| 1 】j 化台物在5 4 0 以下具有有序d o ，型晶体结构，这种结构易产生较多滑移系， 本质上塑性较好，但强度很低。在5 4 0 - 7 6 0 。c 温度范围内f e 3 a l 金属问化合物 ( a l2 8a t ) 以有序的b 2 型晶体结构存在，由于晶体结构中的各原子发生了畸 变，强度有所上升，但室温塑性下降。通过在b 2 相区多道次温轧后再经过低于 第1 章绪论 再结晶温度条件下退火、然后进行淬火的热处理工艺，使f 8 3 a 1 金属问化合物 的力学性能有显著的提高，屈服强度达到7 0 0 m p a 左右，室温伸长率由2 3 提高到1 2 2 5 1 。 在f e a l 合金状态图中，f e a i2 ( 4 9 2 5 0 a 1 ) 、f e 2 a i5 ( 5 4 9 5 6 2 a 1 ) 、 f e a i3 ( 5 9 2 - 5 9 6 a 1 ) 这三种脆性金属间化合物所在的合金成分范围很窄，而 f e 3 a 1 以及附近的c 【f e ( a 1 ) 固溶体的成分范围却相对比较宽，有利于f e 担1 金属问化合物性能的改善。 机械合金化( m a ) 是制备f e 3 a l 金属问化合物的一种新工艺，它是在高能球 磨机中进行球