4铝化物和硅化物第四讲ppt课件

1、合金相与相变合金相与相变易丹青易丹青 教授教授材料科学与工程学院材料科学与工程学院5、铝化物介绍、铝化物介绍FeAl、Fe3Al、NiAl、Ni3Al、TiAl、Ti3Al等。等。FeAl和和Fe3Al金属间化合物金属间化合物5、铝化物介绍、铝化物介绍5、铝化物介绍、铝化物介绍FeAl和和Fe3Al金属间化合物的结构金属间化合物的结构DO3, Fe3SiB2, FeAl Al Fe5、铝化物介绍、铝化物介绍FeAl和和Fe3Al金属间化合物的物理性质金属间化合物的物理性质 FeAl Fe3Al熔点熔点 1250 1540 密度密度 5.56g/cm3 6.

2、72g/cm3 弹性模量弹性模量 261GPa 141GPa构造构造 B2 (bcc) DO3 (bcc) 5、铝化物介绍、铝化物介绍FeAl和和Fe3Al金属间化合物的力学性能金属间化合物的力学性能实验环境实验环境伸长率伸长率(%)屈服强度屈服强度(MPa)抗拉强度抗拉强度(MPa)Fe3Al空气空气4.1387559真空真空12.8387851氩气氩气+氢气氢气8.4385731氧气氧气12.0392867水蒸气水蒸气2.1387475FeAl空气空气2.2360412真空真空5.4352501氩气氩气+氢气氢气6.2379579氧气氧气17.6360805水蒸气水蒸气2.43684305

3、、铝化物介绍、铝化物介绍FeAl金属间化合物的显微组织金属间化合物的显微组织烧结态烧结态FeAl金属间化合物经金属间化合物经80%变形后的光学显微组织变形后的光学显微组织氧化物颗粒弥散增氧化物颗粒弥散增强强FeAl金属间化合金属间化合物的物的TEM显微组织显微组织退火退火24h后氧化物颗粒弥散增强后氧化物颗粒弥散增强FeAl金金属间化合物的属间化合物的TEM显微组织显微组织Fe3Al金属间化合物热压烧结后的显微组织金属间化合物热压烧结后的显微组织, TEM, (110)衍射环衍射环5、铝化物介绍、铝化物介绍Fe3Al金属间化合物热压烧结后的显微组织金属间化合物热压烧结后的显微组织(BSE)5、

4、铝化物介绍、铝化物介绍FeAl和和Fe3Al金属间化合物的制备方法金属间化合物的制备方法真空感应熔炼；真空感应熔炼；真空电弧熔炼；真空电弧熔炼；空气感应熔炼空气感应熔炼+电渣熔炼；电渣熔炼；元素混合法元素混合法+热锻造、热挤压等；热锻造、热挤压等；机械合金化法机械合金化法+热压烧结等；热压烧结等；燃烧合成法燃烧合成法+热机械处理等；热机械处理等；5、铝化物介绍、铝化物介绍FeAl和和Fe3Al金属间化合物的用途金属间化合物的用途 FeAl系金属间化合物是介于高温合金与陶瓷系金属间化合物是介于高温合金与陶瓷之间的一种新型高温材料，作为新一代中高温之间的一种新型高温材料，作为新一代中高温结构材料和

5、不锈钢替代材料具有广泛的应用前结构材料和不锈钢替代材料具有广泛的应用前景，可用于航空航天、汽车工业、能量转换系景，可用于航空航天、汽车工业、能量转换系统、过滤材料等领域。统、过滤材料等领域。NiAl和和Ni3Al金属间化合物金属间化合物5、铝化物介绍、铝化物介绍5、铝化物介绍、铝化物介绍 Al NiNiAl和和Ni3Al金属间化合物的结构金属间化合物的结构B2, NiAlL12, Ni3Al Ni Al5、铝化物介绍、铝化物介绍NiAl和和Ni3Al金属间化合物的性能特点金属间化合物的性能特点 NiAl Ni3Al 熔点熔点 1638 1390 密度密度 5.86g/cm3 7.59g/cm3

6、 弹性模量弹性模量 294GPa 179GPa 晶体结构晶体结构 B2 L12Ni3Al金属间化合物具有良好的室温综合力学性能，金属间化合物具有良好的室温综合力学性能，高温下具有优异的蠕变性能和抗氧化性能。如高温下具有优异的蠕变性能和抗氧化性能。如Ni3Al+0.1%B、Ni3Al+B+Hf+Cr。Ni3Al合金的屈服强合金的屈服强度与其它商用合金屈度与其它商用合金屈服强度的比较服强度的比较5、铝化物介绍、铝化物介绍NiAl金属间化合物的显微组织金属间化合物的显微组织NiAl金属间化合物的光学显微金属间化合物的光学显微组织组织Ni48.75Al48.75Fe2.5金属金属间化合物的光学显微组织

7、间化合物的光学显微组织NiAl-9Mo金属间化合物的共金属间化合物的共晶显微组织晶显微组织W.L. Ren, J.T. Guo and G.S. Li et al. Materials Letters, 58(2019): 1272-1276G.P. Cammarota, A. Casagrande. Journal of Alloys and Compounds, 381(2019): 208-2145、铝化物介绍、铝化物介绍NiAl金属间化合物的显微组织金属间化合物的显微组织高温拉伸后高温拉伸后NiAl-9Mo金属间化合物的透射电镜显微组织。金属间化合物的透射电镜显微组织。(a)710；(

8、b)720；(c)730；(d)760。在韧脆转变温度。在韧脆转变温度(约为约为720)以及高于韧脆转变温度变形后，以及高于韧脆转变温度变形后，位错密度显著增加，直至形成亚晶。位错密度显著增加，直至形成亚晶。W.L. Ren, J.T. Guo and G.S. Li et al. Materials Letters, 58(2019): 1272-12765、铝化物介绍、铝化物介绍Ni3Al金属间化合物的显微组织金属间化合物的显微组织Ni3Al的定向凝固光学显微组织的定向凝固光学显微组织Ni3Al金属间化合物中新晶粒的形核金属间化合物中新晶粒的形核I. Schindler, J. Macha

9、cek and J. Kliber et al. Journal of Materials Processing Technology, 60(2019): 575-580I. Schindler, Josef Machacek, Marlene Spittel. Intermetallics, 7(2019):83-875、铝化物介绍、铝化物介绍Ni3Al金属间化合物的显微组织金属间化合物的显微组织Ni3Al多晶的再结晶区域多晶的再结晶区域Ni3Al多晶的多晶的Kear-Wilsdorf位错结和反相畴界位错结和反相畴界(APB)Ni3Al多晶的亚晶界和位错多晶的亚晶界和位错网网P. Jozw

10、ik, E. Jezierska, Z. Bojar. Materials Chemistry and Physics, 81(2019): 448-4515、铝化物介绍、铝化物介绍NiAl系金属间化合物的制备方法系金属间化合物的制备方法感应熔炼及定向凝固技术感应熔炼及定向凝固技术感应熔炼及水冷铜坩埚凝固感应熔炼及水冷铜坩埚凝固真空电弧熔炼真空电弧熔炼机械合金化机械合金化+热压烧结、冷压烧结、热等热压烧结、冷压烧结、热等静压静压反应烧结反应烧结自蔓燃高温合金反应自蔓燃高温合金反应快速凝固技术快速凝固技术喷射沉积技术喷射沉积技术5、铝化物介绍、铝化物介绍NiAl系金属间化合物的用途系金属间化合物

11、的用途涡轮发动机及喷气式发动机叶片涡轮发动机及喷气式发动机叶片先进热力发动机先进热力发动机石油化工工业石油化工工业高温模具高温模具钢板坯高温热处理炉的转辊钢板坯高温热处理炉的转辊切削刀具切削刀具高温涂层系统高温涂层系统5、铝化物介绍、铝化物介绍NiAl系金属间化合物的用途系金属间化合物的用途5、铝化物介绍、铝化物介绍TiAl和和Ti3Al金属间化合物金属间化合物5、铝化物介绍、铝化物介绍TiAl和和Ti3Al金属间化合物的结构金属间化合物的结构L10, TiAlDO19, Ti3Al5、铝化物介绍、铝化物介绍TiAl系金属间化合物的性能特点系金属间化合物的性能特点性能性能Ti3AlTiAlNi

12、基超合金基超合金密度密度g/cm34.1-4.73.7-3.98.3模量模量MPa100-145160-176206屈服强度屈服强度MPa700-900400-650-拉伸强度拉伸强度MPa800-1140450-800-蠕变极限蠕变极限76010001090氧化极限氧化极限6509001090室温韧性室温韧性2-101-43-5高温韧性高温韧性10-2010-6010-205、铝化物介绍、铝化物介绍TiAl系金属间化合物的三种典型显微组织系金属间化合物的三种典型显微组织类型一：类型一：(a)单相组织单相组织Al含量含量52%，单相区处理单相区处理5、铝化物介绍、铝化物介绍TiAl系金属间化合

13、物的显微组织系金属间化合物的显微组织类型二：类型二：(b)双相组织双相组织Al含量在含量在46-50%之间，之间，+两相区两相区处理处理5、铝化物介绍、铝化物介绍TiAl系金属间化合物的显微组织系金属间化合物的显微组织类型三：类型三：(c)全片层组织全片层组织Al含量含量49%，单相区处理单相区处理5、铝化物介绍、铝化物介绍TiAl系金属间化合物的制备方法系金属间化合物的制备方法真空电弧熔炼；真空电弧熔炼；真空自耗电弧熔炼；真空自耗电弧熔炼；真空感应熔炼；真空感应熔炼；机械合金化机械合金化+热压及热等静压热压及热等静压反应烧结工艺反应烧结工艺粉末注射成形工艺粉末注射成形工艺放电等离子烧结工艺放

14、电等离子烧结工艺5、铝化物介绍、铝化物介绍TiAl系金属间化合物的用途系金属间化合物的用途涡轮发动机压气机盘涡轮发动机压气机盘航天飞船的低密度部件航天飞船的低密度部件复合材料的基体如复合材料的基体如TiAl/SiC，TiAl/Nb）汽车发动机阀汽车发动机阀涡轮发动机转子涡轮发动机转子5、铝化物介绍、铝化物介绍5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2、Fe3Si、Nb5Si3、Mg2Si等等5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2金属间化合物金属间化合物5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2金属间化合物的结构金属间化合物的结构 Si Mo5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2金属间化合物的物理性能金属间化合

15、物的物理性能密度密度 6.24 g/cm3熔点熔点 2030弹性模量弹性模量 440 G Pa剪切模量剪切模量 191 G Pa泊松比泊松比 0.15热导率热导率 65 W/mk (room temperature) 30 W/mk ( 1400 )热膨胀率热膨胀率 7-10 10-6 -1(20-1400 )电阻率电阻率 15 生成热生成热 -131.8 kJ/mole5、硅化物介绍、硅化物介绍几种不同取向的几种不同取向的MoSi2单晶的屈服强度与温度的关系单晶的屈服强度与温度的关系5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2的强度与温度的关系的强度与温度的关系5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2基

16、材料直至基材料直至1600高温下仍具有优异高温下仍具有优异的抗氧化性能，表面形成的抗氧化性能，表面形成SiO2膜。膜。在在500-800会发生会发生“pesting现象。现象。5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2金属间化合物的微观组织金属间化合物的微观组织MoSi2和和MoSi2-ZrO2的微观组织的微观组织5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2金属间化合物的微观组织金属间化合物的微观组织图图1 熔体快淬熔体快淬MoSi2-Nb-Hf-B合金合金的显微组织的显微组织MoSi2Mo5Si3图图2 热压热压MoSi2-Nb-Hf-B合金显微组织合金显微组织MoSi2Mo5Si35、硅化物介绍、硅化物

17、介绍MoSi2金属间化合物的微观组织金属间化合物的微观组织图图6. 维氏压痕显微照片及裂纹维氏压痕显微照片及裂纹 (a) MoSi2； (b) MoSi2-SiC复合材料复合材料5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2金属间化合物的微观组织金属间化合物的微观组织图图7. SEM裂纹扩展形貌裂纹扩展形貌 (a) MoSi2；(b) MoSi2-ZrO2 (稳定化稳定化)；(c) MoSi2-ZrO2 (未稳定化未稳定化)(a)(b)(c)5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2金属间化合物的微观组织金属间化合物的微观组织图图8. MoSi2-ZrO2复合材料中裂纹的复合材料中裂纹的TEM形貌形貌(a)

18、m-ZrO2颗粒附近的微裂纹；颗粒附近的微裂纹； (b) 穿过穿过Mo5Si3颗粒的微裂纹颗粒的微裂纹(a)(b)5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2金属间化合物的微观组织金属间化合物的微观组织透射电镜明场像，透射电镜明场像，MoSi2-1%Nb在在400压缩变形压缩变形0.5%的位错亚结构。的位错亚结构。透射电镜明场像，透射电镜明场像，MoSi2-1%Nb在在1200压缩变形压缩变形1%的位错及滑移后的位错环。的位错及滑移后的位错环。5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2金属间化合物的制备方法金属间化合物的制备方法粉末冶金法：注射成形、机械合金化、燃烧合成等粉末冶金法：注射成形、机械合金化、燃

19、烧合成等熔炼和铸造工艺熔炼和铸造工艺溅射、喷涂以及涂层制备工艺溅射、喷涂以及涂层制备工艺固态转换反应固态转换反应 Mo2C + 5Si = 2MoSi2 + SiC原位反应弥散相粒子生成技术原位反应弥散相粒子生成技术5、硅化物介绍、硅化物介绍MoSi2金属间化合物的用途金属间化合物的用途块体材料块体材料 主要用做电炉发热元件、电子电力等耐热、抗烧蚀高温结构部主要用做电炉发热元件、电子电力等耐热、抗烧蚀高温结构部件和器件。广泛用于陶瓷、冶金、玻璃、汽车、化工、电子、电件和器件。广泛用于陶瓷、冶金、玻璃、汽车、化工、电子、电力、军工国防、航空航天等领域力、军工国防、航空航天等领域 。 涂层涂层 1

20、、高温合金和其他难熔金属的耐热抗氧化保护涂层材料；、高温合金和其他难熔金属的耐热抗氧化保护涂层材料； 2、集成电路基片导电膜、触头以及栅极材料等；、集成电路基片导电膜、触头以及栅极材料等； 3、功能器件用电阻、红外探测、太阳能电池等薄膜材料。、功能器件用电阻、红外探测、太阳能电池等薄膜材料。MoSi2电炉加热元件电炉加热元件玻璃熔炼炉电极玻璃熔炼炉电极汽车火花塞抗氧化汽车火花塞抗氧化环状侧电极环状侧电极MoSi2金属间化合物的用途金属间化合物的用途5、硅化物介绍、硅化物介绍Fe3Si金属间化合物金属间化合物5、硅化物介绍、硅化物介绍Fe3Si金属间化合物的结构金属间化合物的结构DO3, e.g

21、. Fe3Si5、硅化物介绍、硅化物介绍Fe3Si金属间化合物的显微组织金属间化合物的显微组织真空电弧熔炼真空电弧熔炼Fe-22at%Si-0.25at%B合金变形合金变形50%后的显微组织后的显微组织(a)850, 应变速率应变速率410-4s-1; (b)900,应变速率应变速率410-4s-1; (c)900,应变速率应变速率510-4s-1; (d)变形前组织变形前组织5、硅化物介绍、硅化物介绍Fe3Si金属间化合物的显微组织金属间化合物的显微组织Fe3Si金属间化合物高温变形后的透射电金属间化合物高温变形后的透射电镜显微组织：动态再结晶与位错运动镜显微组织：动态再结晶与位错运动5、硅化物介绍、硅化物介绍Fe3Si金属间化合物的制备方法金属间化合物的制备方法电弧熔炼电弧熔炼+轧制工艺制备轧制工艺制备Fe3Si薄板薄板快速凝固工艺快速凝固工艺急冷制带法急冷制带法喷射成形法喷射成形法化学气相沉积法化学气相沉积法5、硅化物介绍、硅化物介绍Fe3Si金属间化合物的用途金属间化合物的用途电力电讯业中的变形压器、变换器、高频电力电讯业中的变形压器、变换器、高频扼流线圈扼流线圈磁头材料：磁头材料：Sendust合金合金电阻材料电阻材料5、硅化物介绍、硅化物介绍Nb5Si3金属间化合物金属间化合物5、硅化物介绍、硅化物介绍Nb5Si3金属间化合物的结构金属间化合物的结构 Nb S