Fe3Si基有序合金材料及其摩擦学与抗氧化性能研究

论文摘要

金属硅化物Fe3Si基有序合金具有较高的熔点、良好的耐磨性和高温抗氧化性，是一种潜在的高温结构材料。由于这种合金组成元素价格低廉，因此具有较好的工程应用前景。但是，像大多数高温有序金属间化合物合金一样，Fe3Si硬而脆的性质限制了它的实际应用。因此，改善Fe3Si的脆性，同时研究其在各种条件下的摩擦学性能及其高温氧化行为已成为高温结构用Fe3Si基合金材料最为重要的基础性工作之一。本研究采用机械合金化随后退火处理（简称MAAP或M2AP技术）、中频感应热压烧结和真空电弧熔炼等方法制备了Fe3Si、Fe3Si基合金和Fe3Si基复合材料，重点考察了M2AP技术制备的Fe3Si基合金粉末的有序度及真空熔炼制备的Fe3Si基块体材料的组织结构、摩擦学性能和高温抗氧化性能，得到如下几条具有较重要意义的结论：首先，基于合金化改性原理，本论文研究了不同含量的合金元素Al对Fe3Si基有序合金机械合金化过程及其有序度的影响。结果表明，采用M2AP工艺可以制备出高有序度的Fe3Si基有序合金粉体。其中，球磨10h和15h的Fe75Si25粉末在860℃退火1h的有序度分别达到94．63％和96．66％。Al元素的加入会显著降低Fe3Si基有序合会的有序度。其次，基于改善Fe3Si基有序合金力学及其摩擦学性能的考虑，采用电弧熔炼／热压烧结技术制备了Fe3Si-Cu复合材料和Cr／Al复合合金化Fe3Si基有序合金材料，研究了其微观结构和力学性能。研究结果表明，塑性相Cu的引入和Cr／Al复合合金化均可以明显提高Fe3Si基有序合金材料的室温强度。透射电镜分析发现，Fe3Si和Cu界面之间符合以下晶体学关系：Cu{220}／／Fe3Si{004)；Cu<100>／／Fe3Si<011>。第三，研究了Fe3Si、Fe3Si-Cu复合材料和Cr／Al复合合金化Fe3Si基有序合金在水润滑条件下的摩擦学性能，并与AISI 304不锈钢做了比较。研究发现，纯Fe3Si有序合金的摩擦学性能与AISI 304不锈钢相当，而Fe3Si-10 wt％Cu复合材料和Fe70Si20Cr5Al5有序合金在水润滑环境下的摩擦学性能比纯Fe3Si有序合金有明显的提高。水润滑条件下，纯Fe3Si合金、Fe3Si-Cu复合材料和Cr／Al合金化Fe3Si基有序合金与Si3N4对摩时的磨损机理均表现为典型的磨粒磨损特征。同时，Fe3Si-10 wt％Cu试验材料在与Si3N4对摩过程中，金属Cu在磨损表面富集并向对偶表面转移。这种富集和转移有效的抑制了Si3N4与水的摩擦化学反应。另外，研究了Fe3Si与Si3N4配副时在空气和氮气中不同温度下的摩擦学性能及其磨损机理，并与W18Cr4V在相同条件下的摩擦学性能作了对比。研究发现，低于600℃时Fe3Si的磨损率随温度升高而升高；在空气中800℃下，Fe3Si的磨损率则大幅度降低，表现出明显的所谓“反温度现象”，这与Fe3Si磨损表面生成的致密的摩擦氧化膜有关。最后，研究了Fe3Si及Cr／Al复合合金化Fe3Si基有序合金在800℃和900℃下的抗氧化性能。研究发现，800℃条件下Fe3Si的氧化动力学曲线包含两个阶段，即10h之前Fe3Si氧化增重速度表现为抛物线规律，10h之后则表现为直线规律；900℃下Fe3Si的氧化动力学曲线遵从抛物线规律；Cr／Al复合合金化，显著提高了Fe3Si基有序合金材料的高温抗氧化性能，其氧化动力学曲线也遵从抛物线规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 3Si有序合金的晶体结构和基本性质'>1.2 Fe₃Si有序合金的晶体结构和基本性质
• 3Si有序合金粉末的机械合金化'>1.3 Fe₃Si有序合金粉末的机械合金化
• 3Si有序合金的高温性能'>1.4 Fe₃Si有序合金的高温性能
• 3Si有序合金的高温扩散与相变'>1.4.1 Fe₃Si有序合金的高温扩散与相变
• 3Si有序合金的高温力学性能'>1.4.2 Fe₃Si有序合金的高温力学性能
• 3Si有序合金力学性能的影响'>1.4.3 合金元素对Fe₃Si有序合金力学性能的影响
• 3Si基有序合金的高温氧化性能'>1.4.4 Fe₃Si基有序合金的高温氧化性能
• 3Si基有序合金的高温氧化性能的影响'>1.4.5 合金元素对Fe₃Si基有序合金的高温氧化性能的影响
• 1.5 本课题的意义及研究内容
• 1.5.1 本课题的意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 3Si有序合金的机械合金化及其有序度'>第2章 基于Fe₃Si有序合金的机械合金化及其有序度
• 2.1 试验过程
• 2.1.1 试验原料
• 2.1.2 试验条件
• 2.1.2.1 球磨工艺参数的选择
• 2.1.2.2 球磨粉末的退火热处理
• 2.1.2.3 球磨粉末和退火粉末的表征
• 2.2 结果与讨论
• 75Si₂₅元素混合粉末的机械合金化'>2.2.1 Fe₇₅Si₂₅元素混合粉末的机械合金化
• 2.2.1.1 混合粉末机械球磨过程中的物相演变
• 2.2.1.2 混合粉末机械球磨后的颗粒形貌观察
• 2.2.1.3 机械球磨粉末退火后的物相组成
• 2.2.1.4 机械球磨粉末退火后的颗粒形貌
• 75(Si_25-x,Al_x)混合粉末机械合金化'>2.2.2 Fe₇₅(Si_25-x,Al_x)混合粉末机械合金化
• 2.2.2.1 混合粉末机械球磨过程中的物相演变
• 2.2.2.2 混合粉末机械球磨后的颗粒形貌观察
• 2.2.2.3 机械球磨粉末退火后的物相变化
• 75Si₂₅元素混合粉末球磨过程中的机械化学效应'>2.2.3 Fe₇₅Si₂₅元素混合粉末球磨过程中的机械化学效应
• 2.2.3.1 机械化学作用及其机理
• 2.2.3.2 机械化学效应及其因子
• 75Si₂₅混合粉末球磨过程中的机械化学效应'>2.2.3.3 Fe₇₅Si₂₅混合粉末球磨过程中的机械化学效应
• 3Si基有序合金粉末的制备及表征'>2.2.4 高有序度Fe₃Si基有序合金粉末的制备及表征
• 75Si₂₅机械球磨粉末退火后的有序度'>2.2.4.1 Fe₇₅Si₂₅机械球磨粉末退火后的有序度
• 75(Si_25-x,Al_x)机械球磨粉末退火后的有序度'>2.2.4.2 Fe₇₅(Si_25-x,Al_x)机械球磨粉末退火后的有序度
• 2.3 本章小结
• 3Si基有序合金块体材料的显微组织及性能'>第3章 Fe₃Si基有序合金块体材料的显微组织及性能
• 3(Si_1-x,Al_x)基有序合金块体材料的制备与表征'>3.1 Fe₃(Si_1-x,Al_x)基有序合金块体材料的制备与表征
• 3.1.1 试验过程
• 3.1.1.1 试样制备
• 3.1.1.2 分析表征
• 3.1.2 结果与讨论
• 3.1.2.1 热压烧结试样的相组成与结构
• 3.1.2.2 电弧熔炼试样的相组成与结构
• 3Si有序合金块体的弯曲强度'>3.1.2.3 Fe₃Si有序合金块体的弯曲强度
• 3Si基有序合金的组织性能的影响'>3.2 Cr和Al对Fe₃Si基有序合金的组织性能的影响
• 3.2.1 试验过程
• 3.2.1.1 试验原料及成分设计
• 3.2.1.2 试样的制备及表征
• 3.2.2 结果与讨论
• 3Si基有序合金的物相组成'>3.2.2.1 Cr/Al复合合金化Fe₃Si基有序合金的物相组成
• 3Si基有序合金的显微组织'>3.2.2.2 Cr/Al复合合金化Fe₃Si基有序合金的显微组织
• 3Si基有序合金的弯曲强度与抗压强度'>3.2.2.3 Cr/Al复合合金化Fe₃Si基有序合金的弯曲强度与抗压强度
• 3Si基有序合金的断口形貌'>3.2.2.4 Cr/Al复合合金化Fe₃Si基有序合金的断口形貌
• 3Si-Cu复合材料的制备及表征'>3.3 Fe₃Si-Cu复合材料的制备及表征
• 3.3.1 试验过程
• 3.3.2 结果与讨论
• 3Si-Cu复合材料的相组成及凝固过程'>3.3.2.1 Fe₃Si-Cu复合材料的相组成及凝固过程
• 3Si-Cu复合材料的微观组织'>3.3.2.2 Fe₃Si-Cu复合材料的微观组织
• 3Si-Cu复合材料的界面结构及晶体学模型'>3.3.2.3 Fe₃Si-Cu复合材料的界面结构及晶体学模型
• 3Si-Cu复合材料的弯曲强度与抗压强度'>3.3.2.4 Fe₃Si-Cu复合材料的弯曲强度与抗压强度
• 3Si-Cu复合材料的断口分析'>3.3.2.5 Fe₃Si-Cu复合材料的断口分析
• 3Si-Gr复合材料的制备及表征'>3.4 Fe₃Si-Gr复合材料的制备及表征
• 3.5 本章小结
• 3Si基有序合金及其复合材料的水润滑摩擦学性能'>第4章 Fe₃Si基有序合金及其复合材料的水润滑摩擦学性能
• 3Si基有序合金的摩擦学性能'>4.1 Cr/Al复合合金化Fe₃Si基有序合金的摩擦学性能
• 4.1.1 试验过程
• 4.1.2 结果与讨论
• 3Si基有序合金的摩擦学特性'>4.1.2.1 Cr/Al复合合金化Fe₃Si基有序合金的摩擦学特性
• 3Si基有序合金的的磨损机理'>4.1.2.2 Cr/Al复合合金化Fe₃Si基有序合金的的磨损机理
• 3Si-Cu复合材料的摩擦学性能'>4.2 Fe₃Si-Cu复合材料的摩擦学性能
• 4.2.1 试验过程
• 4.2.2 结果与讨论
• 3Si-Cu复合材料的摩擦学特性'>4.2.2.1 Fe₃Si-Cu复合材料的摩擦学特性
• 3Si-Cu基复合材料的磨损机理'>4.2.2.2 Fe₃Si-Cu基复合材料的磨损机理
• 4.3 本章小结
• 3Si有序合金的高温摩擦学性能'>第5章 Fe₃Si有序合金的高温摩擦学性能
• 5.1 试验过程
• 3Si的高温压缩强度试验'>5.1.1 Fe₃Si的高温压缩强度试验
• 5.1.2 高温摩擦学试验
• 5.1.3 磨损表面及磨屑分析
• 5.2 结果与讨论
• 3Si在高温空气气氛中的摩擦学特性'>5.2.1 Fe₃Si在高温空气气氛中的摩擦学特性
• 3Si在高温氮气气氛中的摩擦学性能'>5.2.2 Fe₃Si在高温氮气气氛中的摩擦学性能
• 3Si在高温条件下的磨损机理'>5.2.3 Fe₃Si在高温条件下的磨损机理
• 3Si和W18Cr4V在空气气氛不同温度下的磨损表面分析'>5.2.3.1 Fe₃Si和W18Cr4V在空气气氛不同温度下的磨损表面分析
• 3Si在氮气气氛不同温度下的磨损表面分析'>5.2.3.2 Fe₃Si在氮气气氛不同温度下的磨损表面分析
• 3Si摩擦学性能的"反温度效应"初探'>5.2.3.3 Fe₃Si摩擦学性能的"反温度效应"初探
• 5.3 本章小结
• 3Si基有序合金的高温抗氧化性能'>第6章 Fe₃Si基有序合金的高温抗氧化性能
• 6.1 试验过程
• 6.2 结果与讨论
• 3Si基有序合金的等温循环氧化动力学曲线'>6.2.1 Fe₃Si基有序合金的等温循环氧化动力学曲线
• 3Si基有序合金的氧化速度常数'>6.2.2 Fe₃Si基有序合金的氧化速度常数
• 3Si基有序合金氧化速度常数'>6.2.2.1 Fe₃Si基有序合金氧化速度常数
• 3Si基有序合金瞬时氧化速度常数'>6.2.2.2 Fe₃Si基有序合金瞬时氧化速度常数
• 3Si基有序合金表面氧化产物的物相分析'>6.2.3 Fe₃Si基有序合金表面氧化产物的物相分析
• 3Si基有序合金表面氧化产物的形貌观察'>6.2.4 Fe₃Si基有序合金表面氧化产物的形貌观察
• 3Si有序合金的表面氧化物形貌'>6.2.4.1 Fe₃Si有序合金的表面氧化物形貌
• 3Si基有序合金的表面氧化物形貌'>6.2.4.2 Cr/Al复合合金化Fe₃Si基有序合金的表面氧化物形貌
• 6.3 本章小结
• 结论
• 本研究工作的创新之处
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间已发表和待发表的学术论文