机械合金化和低温烧结制备Fe3Al基合金的研究

论文摘要

Fe3Al合金因其高比强度，高比模量、中高温环境中强抗腐蚀能力及热强性等特点，而被公认为是航空和高温结构材料领域内具有重要应用价值的新材料。但由于室温脆性及其加工性能差，限制了其进一步的应用。已有研究表明，（微）合金化、晶粒细化是改善材料力学性能的有效途径之一。为此本文采用机械合金化（MA）和常压氩气气氛保护烧结相结合的方法来制备Fe3Al合金，以求达到改善的力学性能。本文首先利用XRD、激光粒度分析测试仪，借助正交实验手段，优化了在新型高能球磨机上制备Fe72-Al28合金粉末工艺。结果表明：采用球料比60：1、过程控制剂硬脂酸1wt．％，球磨机转速为225rpm时，有利于减小Fe72-Al28合金粉末的晶粒尺寸和粒度。利用XRD、SEM等多种测试手段，研究了Fe72-Al28混合粉末不同球磨时间（5h、10h、15h）产物的物相、形貌的变化。研究表明：MA终产物为纳米晶的过饱和固溶体Fe（Al），Fe72-Al28粉末在形貌上逐渐变成片状，粒度逐渐变小。在合金化过程中没有非晶相及Fe-Al金属间化合物的生成。利用Miedema半经验理论对上述合金成分进行了热力学分析，结果表明：对于Fe72-Al28这一配比，热力学上Fe3Al金属间化合物最为稳定。MA过程中产生的晶格畸变能、晶界能及无序能是使Fe72-Al28形成亚稳态Fe（Al）固溶体的根本原因，同时MA过程形成的晶界、表面及缺陷大大降低了扩散活化能从而实现Al在Fe中的低温扩散。其次本文采用基于密度泛函理论的第一原理赝势平面波方法CASTEP程序，基于Rice-Wang热力学模型，对Fe3Al金属间化合物中有关微量元素的晶界掺杂效应进行理论计算，探究Ti、Nb、Cr、Mn和Mo原子的晶界偏聚对Fe3Al（B2）晶体沿晶断裂功的影响规律，为进一步选择出理想的合金元素提供理论参考。研究表明：Ti、Nb的晶界偏聚会显著弱化晶界，促进Fe3Al的室温沿晶脆性；而Cr、Mn、Mo等元素的晶界偏聚会显著强化晶界，从而抑制室温沿晶脆性的发生，其中Cr的韧化能力最强。在选择Cr作为合金元素之后，本文研究了Fe70-Al25-Cr5混合粉末的机械合金化过程，研究表明：合金元素的加入并没有改变过饱和固溶体Fe（Al，Cr）的生成。粉末形貌基本与Fe72-Al28演化过程相同，但终产物的粒度与前者相比明显增大，这与Cr的加入对粉末塑性的改善有关。最后本文初步地研究了利用机械合金化和氩气气氛保护烧结制备的Fe3Al基合金的显微组织及其力学性能。研究结果表明，烧结块体物相上以部分有序的B2结构Fe3Al组织为主，显微形貌呈岛状结构，这种结构是由于MA时复合粉末外层局部富Al导致。烧结试样在力学性能上比铸态形态下有明显提高，试样压缩断口呈准解理断裂，呈现出塑性特征。其致密度为95％、94％（含Cr），室温压缩屈服强度为832Mpa、962Mpa（含Cr）、压缩率29．90％、31．36％（含Cr），说明Cr元素的加入对Fe3Al基合金的塑性有明显改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 引言
• 1.2 Fe-Al合金系的研究现状
• 1.2.1 Fe-Al合金的结构特点
• 1.2.2 Fe-Al合金的综合性能
• 1.2.3 Fe-Al合金的强韧方法
• 1.2.4 Fe-Al合金的制备方法
• 1.3 机械合金化技术
• 1.3.1 机械合金化技术的发展历史
• 1.3.2 高能球磨设备及工艺
• 1.3.3 机械合金化机制的唯象学描述
• 1.4 Fe-Al合金机械合金化的研究现状
• 1.4.1 Fe-Al过饱和固溶体
• 1.4.2 Fe-Al金属间化合物
• 1.4.3 Fe-Al非晶材料
• 1.4.4 Fe-Al基纳米复合材料
• 1.5 选题背景及意义
• 1.6 研究内容
• 2 实验材料与研究方法
• 2.1 课题思路设计
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 Fe、Al粉末
• 2.2.2 实验用辅助材料
• 3Al基合金的制备设备'>2.3 Fe₃Al基合金的制备设备
• 2.3.1 真空气氛保护两用搅拌式高能球磨机
• 2.3.2 粉末的压制
• 2.3.3 真空烧结
• 2.4 材料的性能测试及组织结构分析
• 2.4.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.4.2 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 2.4.3 粉末粒度分析
• 2.4.4 相对密度
• 2.4.5 硬度
• 2.4.6 室温压缩试验
• 72-Al₂₈二元粉末的机械合金化制备工艺'>3 Fe₇₂-Al₂₈二元粉末的机械合金化制备工艺
• 3.1 引言
• 3.2 实验方案与步骤
• 3.2.1 实验方案
• 3.2.2 实验步骤
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.4 实验数据分析
• 3.4.1 单指标直观分析
• 3.4.2 利用SPSS进行正交数据分析
• 3.5 本章小结
• 72-Al₂₈粉末的机械合金化过程分析'>4 Fe₇₂-Al₂₈粉末的机械合金化过程分析
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 复合粉末的X-ray物相分析
• 4.4 复合粉末的SEM显微形貌分析
• 4.5 相演变过程的热力学分析
• 4.5.1 Miedema模型简介
• 4.5.2 二元体系热力学模型的建立
• 72-Al₂₈二元合金的热力学分析'>4.5.3 基于Miedema理论的Fe₇₂-Al₂₈二元合金的热力学分析
• 4.6 相演变的动力学分析
• 4.7 本章小结
• 5 Fe-Al合金晶界掺杂的第一原理研究
• 5.1 引言
• 5.2 相关基本概念和基础理论简介
• 5.2.1 晶界重位点阵模型
• 5.2.2 第一原理理论简介
• 5.2.3 计算方法和计算过程
• 5.2.4 模拟计算软件Material Studio 4.1简介
• 3Al晶体结构及其建模'>5.3 Fe₃Al晶体结构及其建模
• 5.4 计算过程
• 5.5 计算结果与分析
• 5.6 本章小结
• 72-Al₂₈（-Cr₅）合金的组织及力学性能'>6 机械合金化-低温烧结Fe₇₂-Al₂₈（-Cr₅）合金的组织及力学性能
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 70-Al₂₅-Cr₅的机械合金化'>6.3 Fe₇₀-Al₂₅-Cr₅的机械合金化
• 6.4 粉末烧结后的组织特征
• 6.5 烧结材料的力学性能
• 6.5.1 硬度
• 6.5.2 致密度
• 6.5.3 室温压缩性能
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 课题待完备之处
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文