fe-al金属间化合物及其复合材料的研究进展

fe-al金属间化合物及其复合材料的研究进展

0fe-al金属间化合物在粉末制备中的应用1914年，英国的金融家首次提出了金属间化合物的概念。由于其低密度的一般介绍和加工性能，它开始忽视。随着人们对其基本原则的深入研究和生产工艺的进步，金属间化合物逐渐引起人们的兴趣，成为研究的热点。Fe-Al金属间化合物具有高强度、抗腐蚀、低成本、低密度等优异性能,有望在航空、化工核反应堆元件、熔炉高温装置、电磁元件等众多领域获得应用。由于Fe-Al金属间化合物的熔点高,用熔炼法制备比较困难,并且,熔炼中材料容易产生成分偏析,用熔铸法制得的金属间化合物存在中温低塑区,加工性能差;用沉积方法可以得到薄膜,不易得到实用的块体材料;化学反应合成因反应剂的加入,需要分离与提纯。相比之下粉末冶金方法具有易于控制微观结构、成分均匀、无偏析、晶粒细小、可以通过添加合金元素或弥散硬质粒子进行弥散强化等一系列优点,并且可以制备实用的块体结构材料,可实现近净成形,后处理也相对简单。近代粉末冶金从1910年制造钨丝算起,已有近百年的发展历史。1926年与1930年硬质合金和青铜多孔轴承相继出现,30年代中期又产生了铁基多孔轴承、铁基机械零件、磁性材料及电工合金等多种粉末冶金制品,并确立以混合料制备、成形和烧结为主体的典型粉末冶金工艺。40年代以来,制造出现代工业生产所需的各种金属材料,大量生产了各种各样的产品。随着新粉末冶金技术和设备如SHS、SPS等的出现,其应用领域也在不断扩大。尽管对Fe-Al金属间化合物及其复合材料的研究已有不少报道,但综合描述其用粉末冶金法制备的报道尚不多见,然而,全面了解有关方法及其特点,根据已有条件和需要进行相关材料的制备是必要的。据此,本文对其进行归纳与概述,以提供一个综合的信息参考。1用金属代替法制备fe-al金属化合物制备Fe-Al的粉末冶金方法主要有无压烧结、机械合金化、热压烧结、热等静压、自蔓延高温合成、电场辅助烧结等等。1.1烧结体膨胀稳定机理Fe-Al金属间化合物的熔点和烧结温度很高,通常采用反应烧结方法,利用混合粉末反应放热,提供烧结所需的热量,降低烧结的温度。王兴庆等将Fe粉和Al粉压制成压坯,进行反应烧结,得到的产物有大量孔隙,分析其原因,是因为Fe-Al反应时Fe、Al之间扩散速度相差较大,由于科肯塔尔效应容易形成孔隙,且反应放热量较小不利于烧结。采取将压坯轧制然后烧结和添加Ni元素的方法,得到了理论密度98%的烧结制品。Kang等研究了反应烧结Fe-Al的膨胀行为,认为烧结体膨胀与多孔现象和Fe2Al5相的转变有关,快速释放的热量也有一定的作用。Gedevanishvili等用Fe+Al元素粉末无压烧结,采用小于0.5℃/min和大于1℃/min的两种加热速率,发现低加热速率致密度要高一些,并且得到了94.5%理论密度的FeAl。而Xydas等在采用Fe2Al5/FeAl2预合金粉和Fe元素粉的混合物瞬时液相烧结制备Fe3Al时发现,升温速率大于150℃/min时出现致密化,产生瞬时液相烧结是其重要原因。50%Fe和50%Fe2Al5/FeAl2粉的平均粒径为5.67μm,在250℃/min的升温速率下,得到92%致密度的Fe3Al烧结产物。1.2纳米fe-al复合结构的制备Benjamin于20世纪70年代发明的机械合金化(MA)方法是一种材料合成的新技术,为纳米材料的制备找到了一条实用化途径,引起了研究者们浓厚的兴趣。Charlot等用X射线衍射方法研究了Fe-Al系统MA过程,其一般可分为以下5个阶段:①Fe、Al金属颗粒在球磨初期被压平,形成Fe、Al的层状结构;②层状结构的Fe、Al之间发生冷焊;③Fe、Al复合结构不断细化和卷曲,形成螺旋状结构;④愈合和断裂达到平衡,颗粒尺寸保持稳定;⑤Fe、Al粉末混合均匀,在原子水平产生反应,形成具有纳米结构的非平衡产物。依Al含量的不同,Fe-Al系粉体MA可形成过饱和固溶体、金属间化合物及非晶等不同的产物。研究者们发现,一般Fe-Al粉体MA并不能得到金属间化合物Fe3Al和FeAl,而是得到Fe(Al)固溶体,只有在随后的热处理中才能转变成相应的金属间化合物。郝春成等用氢电弧等离子体法制备纳米Fe粉和Al粉,进行球磨,球磨产物在400℃、600℃真空退火1h,得到纳米Fe-Al金属间化合物。MA制备的Fe-Al纳米晶金属间化合物具有高密度的位错和细小的晶粒,减小了原子扩散距离,降低了烧结温度;此外,不同尺寸的颗粒在烧结过程中都能充分填充空隙,更加有助于致密化。人们通常在Fe-Al烧结之前对粉末进行MA处理,这是一种活化处理的方法,因此,很多研究者们将MA称为机械活化(Mechanicalactivate)。1.3力学性能的制备尹衍升等将Fe粉、Al粉混合球磨,然后进行热压烧结,最高烧结温度为1250℃,保温时间30min,压力40MPa,试样相对密度达到99%,得到Fe3Al材料的室温压缩屈服强度和压缩应变分别为1900MPa和14%,硬度61HRC,横向断裂强度和断裂韧度KIC分别高达1300MPa和49MPa·m1/2。李嘉等用3种不同的方法:①利用氢电弧等离子体直接将块状铁铝金属间化合物蒸发;②将氢电弧等离子体法制备的纳米铁及纳米铝金属粒子混合球磨;③用市售的微米级铁粉与铝粉通过机械合金化制粉,球磨后的粉料过400号筛,在450℃下进行焙烧。制备出纳米金属间化合物预合金粉末,然后进行热压烧结,得到相对密度为99%,晶粒尺寸为300~700nm的Fe3Al块体材料。1.4烧结材料的形貌Zhu等采用超高压(1GPa)热等静压工艺制备纳米Fe3Al,700℃热等静压的Fe3Al接近于完全致密,平均晶粒尺寸为80nm。Zhu等采用机械合金化+热等静压温度800℃,压力980MPa,得到完全致密的Fe3Al基化合物,晶粒尺寸约为200nm,烧结材料有高的硬度、室温屈服强度和断裂应力。加入Ti能提高硬度和屈服强度,降低断裂应力,提高Fe3Al材料高温时的组织稳定性,有低的流变应力但有更好的变形性。1.5纳米fe-al块体材料的制备自蔓延高温合成(SHS)是一种利用化学反应放热制备材料的新技术,受到材料学家们的关注,是一种重要的材料合成技术。通常用于金属陶瓷和金属间化合物等的制备。Charlot等用在线XRD和量热装置研究了Fe-Al二元系统的MASHS(机械活化自蔓延高温合成)过程,发现机械活化使点燃温度下降,SHS燃烧波速率上升,MASHS制备了相对密度70%~80%的纳米Fe-Al块体材料。有的研究者如Godlewska等用SHS方法来获得Fe-Al预合金粉末,然后进行冷等静压、无压烧结、粉末锻造制备Fe-40Al。1.6机械合金化+放电等离子烧结电场辅助烧结也叫脉冲电流烧结(Pulseelectriccurrentsintering,PECS),是一种新型的快速烧结技术,有等离子活化烧结(Plasmaactivatedsintering,PAS)系统和放电等离子烧结(Sparkplasmasintering,SPS)系统。其显著特点是升温速率快、烧结时间短、烧结温度低和消耗能量少,广泛应用于烧结金属、陶瓷、复合材料以及功能梯度材料等。该方法具有烧结时间短,烧结温度低的特点,可抑制烧结过程中的晶粒长大,得到晶粒细小的纳米材料。Venkataswamy等用机械合金化-快速等离子活化烧结方法,在1300℃下很短的时间内形成晶粒很细小的纳米晶Fe3Al材料。Paris等确定了用机械活化+电场活化烧结(PAS系统)制备Fe53Al47(at%)的最佳工艺参数,得到致密度99%、粒径80nm的纳米FeAl材料,发现机械活化对获得均匀材料有关键作用,电流在产物组织形成过程中有重要的作用。该方法得到的Fe-40Al材料的抗腐蚀参数要高于普通Fe-40Al,其晶粒度越小,抗腐蚀性能越好。将相似的工艺参数应用到SPS系统中,反应时间4min,即可得到致密度分别为93.5%和98.5%的Fe-40Fe和Fe53Al47(at%)材料,并保持了纳米结构。在机械合金化+放电等离子烧结制备工艺中可能会有碳化物的生成,Minamino等分析了不同碳含量Fe3Al烧结材料微观组织和力学性能的不同。含碳量低的试样得到最高的相对密度为99.5%。含1%C的化合物,其显微组织为大小1μm含有细的Fe3AlC0.5沉淀的Fe3Al晶粒;含2%C和4%C的化合物由1μm大小的α-Fe晶粒与有细小弥散析出相的80nmFe3Al纳米颗粒弥散分布的区域组成。1000℃时合成的含2%C和1%C的化合物的屈服强度分别为2.15GPa和1.09GPa,断裂应变分别为0.14和0.2(压缩试验),硬度分别为528HV和385HV。大晶粒位错滑移在所有温度都发生,纳米颗粒中位错滑移在500~700℃发生。2银基复合材料复合材料是克服材料性能缺陷的重要方法。在Fe-Al金属间化合物基体中加入连续或非连续的增强相,如Al2O3、SiC、TiB2等陶瓷或W、Mo、Nb等难熔金属的长(短)纤维、颗粒、晶须等,制备Fe-Al金属间化合物基复合材料,可望克服Fe-Al金属间化合物的室温脆性及600℃以上强度和蠕变抗力急剧降低等性能缺陷。近年来,人们在Fe-Al金属间化合物基复合材料及相关领域已取得了相当多的研究成果。粉末冶金是制备复合材料的重要方法。2.1铁铝结构复合材料Schneibel等采用将TiB2、ZrB2、TiC和WC等陶瓷和铁铝化合物进行液相烧结,发现它们与铁铝有足够的热力学稳定性;FeAl/WC系统,WC体积分数60%时,弯曲强度和断裂韧度可达到1460MPa和20MPa·m1/2,薄连接带延性桥联是其高韧性机制;铁铝粘结相有较好的抗氧化和抗硫化性,以其作为粘结相的复合材料和硬质合金可作特别的应用。孙康宁等采用溶渗烧结法制备了几种陶瓷颗粒增强的Fe3Al基复合材料,发现Al2O3与基体的亲和性优于Si3N4、Sialon以及Al2O3基复相陶瓷;Al2O3颗粒增强Fe3Al基复合材料的密度较基体低,但强度、硬度较高,该工艺还可以制备梯度Al2O3/Fe3Al复合材料。Bruhn等采用反应渗透工艺制备出Al2O3颗粒增强FeAl基复合材料。该复合材料不仅具有制造成本低、密度低、耐火度高的特点,而且具有高的抗弯强度。Subramanian等采用液相烧结和一步无压渗透工艺制备出增强相含量为20%~80%(体积分数)的双连续相WC(TiC,TiB2,ZrB2)/FeAl基复合材料。2.2增强fe-40al基复合材料机械合金化法制备颗粒增强金属间化合物基复合材料的工艺流程如图1所示。Morris等采用机械合金化法制备出Al2O3、TiB2颗粒增强FeAl金属间化合物基复合材料。Vedula等采用机械合金化+热挤压的方法制造出含1%Y2O3(体积分数)的Fe-40Al金属间化合物基复合材料。挤压后的复合材料晶粒尺寸为4~6μm,大大小于相同工艺条件下制造的不含增强相的Fe-40Al合金晶粒度(19~25μm)。高温压缩蠕变及拉伸实验表明该复合材料即使在827℃时也表现出明显的晶界强化效果。Schneibel等采用机械合金化+热等静压的方法制造出Y2O3颗粒增强Fe-40Al基复合材料,并测定了其温度为927℃、真应变速率为4×10-8~1×10-4s-1时的蠕变强度。含2%Y2O3颗粒的FeAl基复合材料的蠕变强度为基体的4倍,应力指数高达25,弥散强化效果突出。Mukherjee等采用机械合金化+热等静压的方法制备了Fe3Al金属间化合物及Al2O3颗粒增强Fe3Al基复合材料。Schicker等用Al2O3粉、Al粉、Fe粉为原料,通过高能球磨合成Al2O3颗粒增强Fe-Al金属间化合物基复合材料。该复合材料也可以采用如下的方法制备:在原料中用Fe2O3粉替代Al2O3粉,通过高能球磨及球磨后在非氧化气氛中热处理,使Fe2O3被Al还原,在形成Fe-Al金属间化合物的同时,原位形成Al2O3增强相颗粒,再进行热压工艺即可制备出块体材料。Krasnowski等采用机械合金化+热压方法用Al35Fe35Ti15C15(at%)混合粉制备纳米晶的金属间化合物-碳化物复合材料,温度750℃,压力4GPa,晶粒长大到约35nm,复合材料的平均硬度为1287HV0.2,致密度为98%的理论密度。2.3复合材料的制备Inone等采用反应热压工艺制造了Al2O3、SiC、TiC、TiB2颗粒增强Fe-40Al基复合材料。尽管SiC与FeAl有很强的反应性,但SiC颗粒增强Fe-40Al基复合材料的强化效果最好,主要原因是SiC分解产生的Si固溶于合金基体中起到了固溶强化的效果。杨开明等用反应热压工艺制备了Fe-40Al/TiC复合材料。刘晓峰等在其中加入了合金元素Ni,使材料的机械性能得到了提高。尹衍升等将利用氢电弧离子体法制成的铁铝金属间化合物纳米粉末与Al2O3混合进行热压烧结,制备了Al2O3/Fe3Al复合材料。夏国栋等将Fe粉、Al粉、Al2O3粉混合,加入无水乙醇湿磨制备复合粉体,干燥后热压烧结,制备了Fe-Al/Al2O3复合材料,并研究了其抗热震性。李嘉等将纯3Y-ZrO2与Fe3Al的复合粉体热压烧结制备3Y-ZrO2/Fe3Al复合材料,进行了抗热震性研究。Mukherjee等采用机械合金化+热等静压的方法得到了Al2O3颗粒增强Fe3Al基复合材料,硬度比高强钢高50%,而弹性模量相当。Munoz-Morris等研究了机械合金化+热挤压得到的氧化物弥散强化铁铝金属间化合物的强化机制,发现Y2O3颗粒在FeAl中的稳定性不如在FeCr中,细颗粒阻碍晶界运动,细化晶粒;材料硬度-流变应力关系比较复杂,不是比例关系;颗粒强化作用比晶界强化作用大,细小分布的颗粒是阻碍位错运动的主要障碍,同时使晶界的作用不太大;拉伸屈服应力比压缩实验低,类似包申格效应。2.4al2o3-tic/fe-al复合材料的制备吴一等选用天然钛铁矿、胶体石墨、炭黑、铝粉,按反应方程式FeTiO3+Al+C→Al2O3+TiC+Fe-Al;Fe2O3+Al→Al2O3+Fe-Al,用自蔓延高温合成方法制备了Al2O3-TiC/Fe-Al复合材料。产物中包含有TiC相、Al2O3相、Fe-Al相和α-Fe固溶相。2.5球磨masps的烧结过程Ko等采用机械合金化-脉冲电流烧结原位制备TiC增强Fe-28%Al金属间化合物复合材料,机械合金化Fe、Al、Ti、C粉末,球磨50h固溶开始,150h固溶加速,400h完成,形成无序Fe-28%Al(Ti,C),机械合金化过程中未形成Fe3Al和TiC沉淀析出相;球磨200h,烧结产物由大颗粒TiC、分布在基体上的亚微米TiC颗粒和Fe3Al自由颗粒区域组成。TiC大颗粒是由于MA过程中不充分的合金化造成的;当热处理温度到1000℃时,球磨50h以下的粉末烧结块体生成中间相Fe2Al5、Al3Ti和Fe3AlCx,而球磨400h的粉末烧结产物从过饱和Fe固溶体中析出Fe3Al和TiC。陈君平等利用机械活化-放电等离子(MASPS)方法,将铁粉、铝粉和Al2O3粉的混合粉末通过高能球磨进行机械活化,并利用放电等离子快速烧结得到FeAl/Al2O3块体材料,最高致密度可以达到96.4%。王海兵等分析(Fe-40at%Al)-2wt%Al2O3粉球磨25h后在MASPS烧结过程的相变特征是:首先将Fe与Al在570~600℃范围内反应生成Fe2Al5,在7