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第21卷第4期中国有色金属学报2011年4月V ol.21 No.4The Chinese Journal of Nonferrous Metals Apr. 2011文章编号：1004-0609(2011)04-0784-12Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al系金属间化合物多孔材料的研究进展李婷婷，彭超群，王日初，王小锋，刘兵，王志勇(中南大学材料科学与工程学院，长沙 410083)摘要：总结Fe-Al、Ti-Al、Ni-Al 3大系金属间化合物的物相结构和基本特性，论述Fe-Al、Ti-Al和Ni-Al 3大类金属间化合物多孔材料的制备方法、孔结构表征以及耐腐蚀性能，并指出孔结构参数的可控性研究、复合材料的制备和焊接性能的提高是金属间化合物多孔材料未来的研究重点。
关键词：金属间化合物；Fe-Al合金；Ti-Al合金；Ni-Al合金；多孔材料；耐腐蚀性能中图分类号：TG146.2文献标志码：AResearch progress in porous Fe-Al, Ti-Al and Ni-Al intermetalliccompound porous materialsLI Ting-ting, PENG Chao-qun, WANG Ri-chu, WANG Xiao-feng, LIU Bing, WANG Zhi-yong(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: The phase structures and elemental characteristics of Fe-Al, Ti-Al and Ni-Al intermetallic compound porous materials were summarized. The preparation methods, pore structures and corrosion resistances of these three kinds of intermetallic compound porous materials were discussed. The trends of development of porous Fe-Al, Ti-Al and Ni-Al intermetallics compound porous materials, the controllability of parameters of pore structure, the preparation of composite and the improvement of welding performance, were pointed out.Key words: intermetallic compound; Fe-Al alloy; Ti-Al alloy; Ni-Al alloy; porous material; corrosion resistance property多孔材料是指具有一定尺寸和数量孔隙结构的材料，通常孔隙率较大，孔隙结构作为有用的结构存在[1]。
αT i A l金属间化合物的研究进展3周怀营 湛永钟(广西大学材料科学研究所,南宁,530004;第一作者42岁,男,教授)摘要 综述了T i A l金属间化合物的研究进展.介绍T i A l合金室温脆性的解决办法,对其制备和加工的新工艺进行分类评述,并从基础理论研究、制备与加工新技术、类单晶T i A l及T i A l 基复合材料的研制等方面指出其今后的研究与开发动向.关键词 T i A l;金属间化合物;室温脆性分类号 T G13213+2许多金属间化合物由于具有比重轻、强度高、高温力学性能和抗氧化性优异等特点,而被认为是一种理想的待开发的航空航天用高温结构材料[1].与其他金属间化合物相比,T i A l系由于铝化合物本身所具有的极高的抗氧化性、较高的比熔点、较低的密度以及钛极高的比熔点,而成为近年来人们研究开发的焦点,目前正在研究开发的主要有T i3A l(Α2),T i A l(Χ)和T i A l3(Σ).室温脆性和难加工成形性是其实用化进程上的主要障碍[2].人们经过对T i3A l合金比较全面系统的研究,可以期望它最先接近实用化;T i A l3则由于室温塑性更差,目前只限于在日本、美国和中国等少数国家进行基础性研究.目前,研究的重点主要集中在T i A l合金上,试图通过合金化及热加工等手段来改善其室温脆性问题.1 T i A l金属间化合物室温脆性问题的解决办法T i A l是典型的Betho llide型化合物,任何温度下均呈有序状态.根据A l含量的高低,T i A l合金可分为Χ单相合金(≥49at%A l)和Χ+Α2双相合金(<49at%A l),而Χ+Α2双相合金按组织形态又可分为4类:(1)全片层组织(FL),由较大的层片块组成;(2)近片层组织(NL),由较大的层片块及较细的Χ+Α2等轴晶组成;(3)近Χ组织(N G),由粗大的Χ等轴晶及较细的Χ+Α2混合组成;(4)双态组织(D up lex),为细小的层片块和细小的Χ+Α2等轴晶的混合组织.由于T i A l晶体为面心四方结构(L10型),晶胞c a比值为1102,晶体对称性低,滑移系少,且共价键成分大,电子云分布不均匀,因此室温时呈脆性.目前用于改善T i A l合金室温脆性的方法可归纳为合金化法和热加工法[3].111 合金化法通过合金化来改善ΧT i A l金属间化合物室温脆性,是近年来T i A l合金研究的一个重要方向.目前发展的T i A l基合金的成分为T i(46～52)at%A l(1～10)at%M,其中M为C r,M n,V,M o,T a 等元素中的一种或几种.合金化法改善T i A l合金室温脆性的基本机制为:(1)细化晶粒,以提高合金的延展性;(2)调控合金显微组织,获得具有较大体积百分量的细小的全片层组织,以均衡提高T i A l合金室温拉伸性能和断裂韧性[4];净化合金,降低氧、氮等间隙式杂质元素的含量.近年来,通过添加C r来改善T i A l金属间化合物室温脆性的研究取得了显著的成果.添加C r后,可取代T i A l中的A l,有助于获得低A l的Χ相;同时降低了Α2相的稳定性,使片层Α2相变成粒状,形成了新生的细小的Χ+Α2晶体,因而可显著细化Χ+Α2两相合金铸态组织.K i m[5]认为,同时加入N b和C r对提高T i A l合金性能最为有效.曹名洲等人[6]的研究表明,在T i A l合金中添加M n后,使Χ相晶格a和c轴都减小,并使c a值接近1.M n促使Χ相中孪晶的形成,提高了T i A l合金的室温塑性.B lackburn等人[7]发现适量的V能有效地提高T i A l合金的塑性,并可降低韧脆转变温度.贺连龙[8]的研究表明,T i A l金1999年12月Journal of Guangx iU n iversity(N at Sci Ed)D ec.1999 α3国家自然科学基金(29771009)和广西自然科学基金(9824017)资助项目收稿日期:19990802属间化合物中加入少量Si 可使其电子云对称化,从而提高室温延性.计算结果表明,Si 比M n 的合金化效果更好.最近,有关T i A l 金属间化合物通过添加稀土元素改善室温脆性的研究也取得了长足的进展.刘昌明等人[9]发现N d 可明显增加铸锭柱状晶的长度和减小柱晶直径,同时细化了铸锭中心区的等轴晶粒.添加011at %N d 后,铸锭的平均晶粒尺寸由1400Λm 减小为450Λm .V asudevan 等人[10]在合金中加入014at %E r 后,发现由于形成E r 2O 3弥散粒子,降低了基体中杂质氧的含量,使塑性得以改善.陈仕奇等人[11]发现添加L a 也具有类似的效果.112 热加工法解决T i A l 室温脆性的另一重要途径是通过控制热加工工艺参数来达到的.这一方法的基本原理可归纳为:(1)获得细晶组织,减少滑移长度、增加非滑移系,从而提高塑性;(2)控制工艺参数,减少成分偏析和晶粒大小不均匀性.显微组织是影响T i A l 合金力学性能的重要因素.双态组织有利于提高合金的室温延性,但其高温抗蠕变强度低;而较粗大的全片层状组织具有优良的抗蠕变能力,但室温延性低.因而,为能在保证T i A l 基合金优良的高温力学性能的前提下解决其室温脆性的问题,细化其粗大全片层结构成为了近年来研究者追求的目标[9].K i m [12]报道了用等温热锻工艺可使T i A l 合金晶粒尺寸减小到500～1000Λm ;而采用复合热机械工艺破碎粗大片层组织,可使晶粒尺寸下降到20～30Λm ,从而获得性能优异的细晶组织,极大地改善了T i A l 合金室温塑性.H all 等人[13]研究发现,通过适当的热机械处理可获得具有层片状T i A l (Χ)+T i 3A l (Α2)组织的双相T i A l 合金,其室温塑性比单相T i A l 合金有明显改善.H ana m ura 等人[14]利用快速凝固技术研究了T i A l 基合金的显微组织.结果表明,在104～105K s 的冷却速度下可获得直径为1～3Λm 的细小晶粒,从而使该工艺成为一种解决T i A l 合金室温脆性的可能途径之一.在此基础上,曹名洲等人[15]采用气体雾化法制备了T i A l 合金的微晶粉末,其快冷态主要由Α2相和少量Χ.经900℃,2h 真空退火后,大部分Α2相转变成Χ相,使原来的组织更加细化.此外,蒲忠杰等[16]在同时加入C r 和V 的情况下,将T i A l 合金经1250℃再结晶处理,并适当控制冷却速度,获得了418%的室温延性.2 金属间化合物制备与加工新工艺目前,T i A l 合金尚未进入实用化阶段,但有关其制备技术的研究早已展开.除熔铸、粉末冶金等常规方法外,人们还根据材料自身的特点开发了许多种新的材料成型加工技术.(1)快速凝固法:该法将快速凝固技术与粉末冶金相结合,采用旋转盘雾化法,等离子旋转电极法或气体雾化法制得预合金粉末,而后装入钛合金包套中,经干燥,抽空和密封,再加热挤压成型[1].该法不但明显增加了B ,Si ,V 等溶质原子在基体中的固溶度极限,获得很好的固溶强化和沉淀强化效果,而且通过细化晶粒及第二相粒子,减少成分偏析,提高了强度和塑性.(2)机械合金化反应烧结:通过高能球磨使元素粉末在室温下通过固态反应生成合金粉末,甚至使互不相容的元素形成假合金.通过球磨,使成分分布均匀,晶粒及弥散颗粒比采用快速凝固法更不易长大,获得具有超塑性能的超细晶粒,有利于T i A l 合金室温脆性的改善.机械合金化处理后,T i A l 合金的室温延展性可达5%[17].(3)自蔓燃反应合成法(SH S ):该法利用物质反应热的自传导作用维持燃烧波的传播,使不同物质间发生化学反应,在极短时间内形成化合物.由于以单一金属粉末为原料,不必将材料全部熔化即可合成化合物,克服了金属间化合物制造上的困难.目前采用该法合成的T i A l 金属间化合物经H IP 可以制出致密的烧结坯,且性能和成本均达到了应用要求.(4)超塑性成形技术:超塑性成形技术是利用材料在一定温度和应变速率范围内表现出的超塑性进行材料成形的,其关键是要具有超细晶粒并选择合适的变形速率和变形温度.T i A l 合金超塑性的发现为解决其成形问题提供了广阔的前景.在5×10-5s -1的应变速率下,T i A l 合金晶粒尺寸可达2Λm ,而最大塑性超过了230%[1].3 研究及开发动向(1)基础理论研究.广泛测定T i A l X 系相图,寻找新的合金元素,确定合金的最优成分与组362第4期周怀营等:T i A l 金属间化合物的研究进展462广西大学学报(自然科学版)第24卷 织,以全面提高T i A l合金的综合性能;深入研究合金的塑性变形机理,掌握T i A l金属间化合物的超塑性变形机制,并寻求其实际应用途径;发展一套关于T i A l合金的系统的成分—组织—性能的理论体系.(2)开发制备与加工的新工艺.开发无污染熔炼、制粉工艺,降低氧、氮等杂质元素的有害作用;研究T i A l合金领域热等静压的条件、方式对压块的影响;确定合理的热处理工艺参数,改善合金微观组织,解决其室温脆性问题;利用冲击波、电、磁等手段解决成形问题.(3)类单晶T i A l合金及T i A l基复合材料的研制.研究类单晶T i A l的变形和断裂特征,利用其良好的塑性和高强度、高断裂韧性,在较短时间内能作为高温结构材料获得实际应用.寻找新的高质、价廉的共容增强颗粒,解决与T i A l基体间的相容性问题;加强T i A l基复合材料的优化设计,开发新的复合材料制备技术,为T i A l合金的广泛应用开拓更广阔的前景.参考文献1 曹 阳,李国俊.金属间化合物高温结构材料的研究动向.材料导报,1994,(4):14～182 N obuk iM,H ash i m o to K,T suji m o to K,et al.D efom ati on of T i A l in ter m etallic compound at elevated te mperatures.J Jpn In st M et,1986,50(9):840～8443 刘志坚,曲选辉,黄伯云.粉末冶金法制备T i A l合金的进展.材料导报,1995,(2):23～284 张继,张志宏,邹敦叙,等.T i A l合金细小全片层组织断裂机理.金属学报,1996,32A(10):1044～10485 K i m Y W.O rdered In ter m etallic A ll oys III.Gamm a T itan ium A lum in ides.JOM,1994,49(7):30～396 曹名洲,韩东,周敬,等.含M n的T i A l基合金的组织和性能.金属学报,1990,26(3):A223～A2277 B lackburn M J,S m ith M P.T itan ium A ll oys of the T i A l T ype.U S Pat,4294615.197907258 贺连龙,叶恒强,徐仁根,等.T i A l-V-Si合金中T i5Si3析出相与基体相的取向关系.金属学报,1994,30(4):A145～A1499 刘昌明,李华基,何乃军,等.钕对T i-44A l合金组织和晶粒尺寸的影响.材料工程,1998,(11):20～2310 V asudevan V K,Court S A,Kurath P,et al.Effect of purity on the defo r m ati on m echan is m in the in ter m etallic compound T i A l.Scri p ta M etall,1989,23(6):907～91211 陈仕奇,曲选辉,雷长明,等.T i A l+L a有序合金的室温力学性能.金属学报,1994,30(1):A20～A2412 K i m Y W.Effects of m icro structure on the defo r m ati on and fracture ofΧT i A l all oys.M ater Sci Eng,1995,A192-A193:519～53313 H all E L,H uang S C.Sto ich i om etry effects on the defo r m ati on of binary T i A l all oys.J M ater R es,1989,4(3):595～60214 H anam ura H,Sugai T,T an ino M.R ap idly Q uenched in ter m etallic compounds.T i A l and A l3T i.In:N i ppon Steel,ed.Sin tering′87.Tokyo:E lsevier A pp lied Science Poblishers,1988.617～62815 曹名洲,韩东,张涛,等.快速凝固T i A l基合金微晶的显微组织.金属学报,1992,28(10):A426～A42916 蒲忠杰,石建东,邹敦叙,等.T i A l基合金组织对拉伸性能的影响.金属学报,1993,29(8):A363～A36917 Suryanarayana C,F roes F H.M echan ical all oying of titan ium base all oys.A dv M ater,1993,5(2):96～106D evelop men t of Studi es on Ti A l I n ter metall i csZhou H uaiying Zhan Yongzhong(In stitute of M aterial Science ,Guangx iU n iversity,N ann ing,530004)Abstract T h is paper describes the status quo of studies on the T i A l in ter m etallic compound and in troduces the s o luti on s to its room brittle.It als o revie w s the ne w p roducti on and p rocesses by classificati on s. Further research directi on s,such as theo retical research,ne w p rocessing techno l ogies and single crystal like T i A l etc.is po in ted out.Keywords T i A l;in ter m etallic compound;room brittle(责任编辑 唐汉民)。
新型二硫化物化合物的合成与性能研究近年来，二硫化物化合物在材料科学领域备受关注，因其独特的物化性质在能源、电子、光电等领域具有广泛应用前景。
本文将重点论述新型二硫化物的合成方法以及其在性能研究方面的进展。
一、二硫化物化合物的合成方法1. 水热法合成水热法合成是一种简便且有效的方法，通过在高温高压下将金属离子和硫化物反应得到二硫化物化合物。
例如，利用金属氧化物和硫化物为原料，通常在密闭容器中在水溶液中进行反应，可以得到高纯度且形貌可控的二硫化物纳米材料。
2. 气相沉积法合成气相沉积法合成是利用金属有机化合物或金属卤化物在高温下和硫化氢气体反应得到二硫化物化合物。
这种方法可以获得高质量的薄膜材料，并且可以控制薄膜的晶体结构和形貌。
3. 溶液法合成溶液法合成是一种常用的二硫化物合成方法，利用金属离子和硫源在有机溶剂中反应得到二硫化物化合物。
这种方法不仅操作简单，还可以通过控制反应条件来调控产物的形貌和结构。
二、新型二硫化物的性能研究进展1. 光电特性研究二硫化物化合物具有优异的光电性能，在太阳能电池、光电探测器等领域有广泛应用。
研究发现，新型二硫化物化合物具有较大的光吸收范围和较高的光电转化效率，具备成为替代硅材料的潜力。
2. 催化性能研究二硫化物化合物在催化领域显示出良好的催化活性和选择性。
新型二硫化物化合物作为催化剂，可以用于水分解产氢、CO2还原等反应。
研究表明，其特殊的晶体结构和导电性质使其具有优异的催化活性，为可持续能源开发提供了新的机遇。
3. 电子输运性能研究新型二硫化物的电子输运性能对于电子器件的应用至关重要。
研究发现，一些新型二硫化物化合物表现出优异的电子迁移率和载流子迁移性能，这对于高性能的电子器件有着重要的意义。
4. 热学性能研究热学性能是评价材料热导性能的重要指标。
新型二硫化物化合物在热导领域具有潜在的应用。
通过对其热导率的研究，可以为热管理、热电转换等领域的应用提供理论基础。
综上所述，新型二硫化物化合物的合成与性能研究对于材料科学的发展具有重要意义。
二维过渡金属硫化物材料的制备与性能研究二维过渡金属硫化物材料是近年来材料科学领域的一个热点研究方向。
这类材料以其独特的物理和化学性质，被广泛应用于电子器件、催化剂、能源存储等领域。
本文将以二维过渡金属硫化物材料的制备和性能研究为主题，介绍其重要性、制备方法和性能研究的进展。
一、二维过渡金属硫化物材料的重要性二维过渡金属硫化物材料具有许多独特的性质，如结构可调性、卓越的电子和光学性能，以及优良的机械和热学性能等。
这些特性使得其在电子器件、光电子学、催化剂以及能源领域中具有巨大的应用潜力。
首先，在电子器件方面，二维过渡金属硫化物材料的优异电子性能使其成为替代传统硅基材料的理想候选。
例如，二维硫化钼在柔性电子领域中被广泛应用。
其高载流子迁移率和优良的机械可伸缩性使之成为高性能透明导电电极材料的最佳选择。
其次，二维过渡金属硫化物材料的光学性能也引起了广泛的关注。
许多材料在单层或多层形式下展现出特殊的光学特性，如量子束缚效应、吸收和发射等能级调控。
这些性质对于光学器件的设计和构建具有重要意义。
最后，二维过渡金属硫化物材料作为催化剂在催化反应方面具有重要应用价值。
由于其高比表面积和丰富的活性位点，该材料在电化学催化、光催化和化学催化等方面表现出卓越的催化活性。
因此，二维过渡金属硫化物材料在环境保护、能源转化等领域具有广阔的应用前景。
二、二维过渡金属硫化物材料的制备方法目前，二维过渡金属硫化物材料的制备方法主要包括物理剥离法、化学气相沉积法和溶液法等。
物理剥离法是通过剥离三维材料来制备二维材料，最为典型的剥离方法是机械剥离法，其原理是通过机械剥离的方式将三维材料分离成二维薄片。
化学气相沉积法是通过将金属前驱体和硫源前驱体在高温下反应生成沉积物，进而制备二维材料。
溶液法则是利用溶液中金属离子和硫化物进行反应生成二维材料，这种方法较为简便且使用范围广泛。
除此之外，还有其他一些制备方法，如热解法、水热法和电化学沉积法等。
FeCoNiSiB系非晶合金的制备及其软磁性能的研究中期报告Abstract:FeCoNiSiB系非晶合金具有良好的软磁性能，受到广泛关注。
本研究采用快速凝固技术制备了FeCoNiSiB系非晶带材，研究了制备工艺对非晶合金组织结构和软磁性能的影响。
结果表明，通过调节快速凝固工艺参数可以有效地控制非晶合金的晶粒尺寸和相对含量，从而调节其磁滞回线和饱和磁感应强度等软磁性能。
同时，通过添加适量的B元素，可以显著地提高FeCoNiSiB系非晶合金的软磁性能，将其应用于高频电器等领域具有广阔的发展前景。
Keywords: 非晶合金；快速凝固；软磁性能；B元素Introduction:非晶合金是一种具有特殊微观结构和优异性能的新材料，其中FeCoNiSiB系非晶合金因其良好的软磁性能，受到广泛的关注。
在应用领域方面，FeCoNiSiB系非晶合金被广泛地应用于高频电器、传感器、材料储存等领域。
为了进一步提高FeCoNiSiB系非晶合金的性能，本研究采用快速凝固技术制备了FeCoNiSiB系非晶带材，并研究了制备工艺对非晶合金组织结构和软磁性能的影响。
Experimental:本次实验采用真空自吸式快速凝固设备，以FeCoNiSiB为母合金，在不同的冷却速度下制备了不同组分的非晶带材。
通过XRD、TEM、VSM等手段对非晶合金的微观结构和软磁性能进行了测试分析。
Results:在本次实验中，通过调节快速凝固工艺参数成功地制备了FeCoNiSiB 系非晶带材，并研究了其组织结构和软磁性能的影响。
结果表明，FeCoNiSiB合金具有非晶态和晶态两种相，且相对含量可以通过调节冷却速度来控制。
随着冷却速度的增加，非晶相的含量增大，晶粒尺寸减小。
同时，通过添加适量的B元素可以显著地提高FeCoNiSiB系非晶合金的软磁性能，将其应用于高频电器等领域具有广阔的发展前景。
Conclusion:本次研究通过快速凝固技术成功地制备了FeCoNiSiB系非晶带材，并研究了其组织结构和软磁性能的影响。
B2相增韧Ti基块体非晶复合材料的组织及力学性能探究摘要：本文通过系统的试验探究，探讨了B2相增韧Ti基块体非晶复合材料的组织及力学性能。
试验结果表明，接受特定的制备工艺，在Ti基体中引入B2相可以明显改善块体非晶材料的力学性能。
本文对材料的组织结构和微观力学性能进行了分析和谈论，为进一步探究和应用该类材料提供了一定的参考。
1. 引言块体非晶材料具有优异的力学性能和化学稳定性，在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有广泛的应用前景。
然而，由于其特殊的非晶结构，块体非晶材料在实际应用中往往易于发生断裂。
因此，探究如何增强块体非晶材料的力学性能，提高其应用价值具有重要的理论和实践意义。
Ti基材料因其卓越的力学性能和化学稳定性而备受探究者的关注。
然而，Ti基体的非晶材料在弯曲和拉伸等载荷下容易发生断裂。
因此，通过改善Ti基体的组织结构和微观力学性能，进一步提升其力学性能，有助于扩大Ti基块体非晶材料的应用范围。
2. 试验方法本试验接受真空熔炼法制备了含B2相的Ti基块体非晶材料，以纯钛粉末和含B2相的化合物粉末为原料，在真空条件下进行熔炼和固化。
制备完成后，对材料进行了扫描电子显微镜（SEM）观察、X射线衍射（XRD）分析和拉伸试验等一系列试验。
3. 结果与谈论3.1 组织结构分析SEM观察结果显示，含B2相的Ti基块体非晶材料具有较为匀称的晶粒分布和致密的晶界。
通过透射电子显微镜观察，进一步确定了材料中B2相的存在。
经XRD分析，确认B2相的存在有助于提高材料的力学性能。
3.2 力学性能测试拉伸试验结果显示，含B2相的Ti基块体非晶材料具有更高的屈服强度和延伸率。
通过断口分析，发现材料的断裂模式由原本的脆性断裂转变为韧性断裂，说明引入B2相有效增强了材料的韧性。
4. 结论本文通过对含B2相的Ti基块体非晶材料的组织结构和力学性能进行分析和谈论，得出以下结论：- 接受真空熔炼法制备的含B2相的Ti基块体非晶材料具有较为匀称的晶粒分布和致密的晶界。
第27卷第5期2009年10月 粉末冶金技术PowderMetallurgyTechnology Vol127,No15Oct12009
B2型FeAl金属间化合物的制备及性能研究进展
3
宋海霞1),2)33 吴运新1)333 巩前明1) 袁帅1)1)(清华大学机械工程系,北京 100084)2)(陆军航空兵学院机械工程系,北京 101123)
摘 要: 对B2型FeAl合金的制备和性能研究现状进行了综述和分析。FeAl合金的制备工艺主要包括熔铸法和粉末冶金两种。FeAl合金的室温韧性可以通过合金化、细化晶粒、热处理和复合韧化等方法改善。合金化对提高FeAl高温强度和蠕变抗力有效,通过引入第二相粒子实现沉淀强化和弥散强化的效果最好,合金的使用温度有望提高到700℃以上。关键词:FeAl金属间化合物;制备;韧化;高温强度;蠕变抗力
ResearchadvancesinpreparationandpropertiesofFeAl(B2)intermetallics
SongHaixia1),2),WuYunxin1),GongQianming1),YuanShuai1)1)(DepartmentofMechanicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)2)(DepartmentofMechanicalEngineering,ArmyAviationInstituteofPLA,Beijing101123,China)
Abstract:TheresearchadvancesinpreparationandpropertiesofFeAl(B2)intermetallicswerereviewed1CastingandpowdermetallurgyaremajormethodsforFeAlpreparation1EffectivetougheningofFeAlcanbeachievedbyalloying,gain2sizerefinement,heattreatmentandincorporatingintocomposites1Alloyingalsohelpstoincreasethehightemperaturestrengthandcreepresistancebyintroducingsecondary2phaseparticlesforprecipitationhardeninganddispersionstrengthening,andtheservicetemperatureofFeAlisexpectedtobeabove700℃1Keywords:FeAlintermetallics;preparation;toughening;high2temperaturestrength;creepresistance
3国家自然科学基金资助项目(50574052)33宋海霞(1975-),女,硕士研究生。333通讯作者:吴运新,男,教授。收稿日期:2008-06-05
Fe2Al金属间化合物(FeAl和Fe3Al)原料丰富、成本低廉、密度低、比强度高、耐磨性好、抗氧化(硫化)、抗腐蚀性优异,作为新一代中高温结构材料和不锈钢替代材料,在熔炉装置、热交换管道、汽车阀门、熔盐设备构件等高温恶劣环境中的应用有着广阔前景[1]。B2型FeAl合金由于含Al量高,其抗腐蚀性、抗氧化(硫化)能力较Fe3Al优异,密度更低,仅为其它铁基或镍基合金的30%～40%[1-6]。但是,迄今为止,FeAl合金尚未实现大规模的工业应用,主要原因在于铁铝金属间化合物的两大缺点尚未得到根本解决[5],即:室温脆性大,且Al含量越高,由晶界弱化造成的脆性越严重,加工困难;温度超过600℃后强度急剧下降,抗蠕变性能差,高温应用极限不高。近年来,FeAl合金的研究主要集中在改进制备工艺和合金化方面,以提高其力学性能。
1 FeAl合金的制备工艺111 熔铸法熔铸法制备FeAl合金必须考虑到其与传统熔铸合金的不同之处[4]:FeAl合金中Al含量远远高
于传统合金,Al与Fe的熔点相差较大;FeAl合金的形成过程具有反应放热的特点,致使熔池温度急剧上升引起过热;浇铸过程中容易引入氢原子,导致铸锭中产生大量孔洞。因此,必须对传统的熔铸工艺加以改进才能用于FeAl合金的制备。采用Exo2Melt熔炼工艺,可较好地控制过热现象,成功制备出煤气炉热交换管[2]。采用一种称为“TeaKettle”的方法,由氧化铝熔渣保护金属液,可显著减少液态金属的氧化[7]。铸态FeAl合金通常需进行热压力加工以提高其力学性能[8-9]。112 粉末冶金法粉末冶金法是制备FeAl合金的另一种重要工艺。原料粉末可以是元素Fe粉和Al粉,也可以是预合金粉末。Alexander等[10]将气雾化的FeAl合金粉末进行热挤压后,组织致密、晶粒细小,与晶粒粗大的铸态合金相比,强度和塑性均大幅提高。Fe、Al元素粉末压坯进行无压反应烧结时,由于Fe和Al的扩散系数相差很大,烧结体会因科肯塔尔现象产生大量孔隙、体积膨胀,难以获得高的致密度[11-13];含Al量越高,无压烧结膨胀现象越严重。无压烧结研究工作集中在如何提高烧结体的致密度方面。Gedevanishvili等[13]发现Fe-40%(原子数分数)Al合金烧结体的致密度对烧结时的升温速率非常敏感,降低烧结升温速率可显著提高烧结密度。将Fe、Al粉末采用自蔓延高温合成[14-16]和机械合金化[17-22]等方法进行预合金化后再进行固化烧结,加工工艺相对较为复杂,但可制备致密度较高、力学性能较好的块状FeAl合金,受到研究者的广泛关注。预合金Fe-Al粉末采用的方法主要包括粉末注射成形[14-15]、热等静压[17]、热压或热挤压[18-21]、放电等离子烧结[22]等。Krasnowski等[18]将机械合金化后的Fe-50%Al粉末,经热压后相对密度接近100%,硬度达到1235HV012。2 FeAl合金的韧化方法近年来,国内外针对FeAl合金的脆性问题展开了大量研究,其脆性的主要原因是环境氢脆、晶界弱化和空位脆化[3]。主要的韧化方法包括:合金化、细晶韧化、复合韧化、热处理韧化、优化制备工艺等。211 合金化B是改善FeAl合金韧性最常用的元素。B大量偏聚在晶界处,浓度比基体内部高出数倍,形成位错密度很高的高能区域,原子易扩散从而加速了热空位的消除[23],强化了晶界。Liu等[3]认为B可抑制沿晶断裂,但是对环境氢脆的抑制作用则较弱。Kim等[24]发现,高含量的B(质量分数为3%
)
使铸造FeAl合金的伸长率由218%提高到811%,
但对机械合金化FeAl合金的塑性并无改善。Kato
等[15]采用粉末注射成形工艺得到FeAl拉伸试样,
添加015%(原子数分数)B后,Fe248%Al合金的伸长率由013%提高到110%,而Fe245%Al合金的伸长率却稍有降低。Cohron等[8]研究了添加B对FeAl合金(Al的原子数分数为40%～48%)室温超
高真空中拉伸塑性的影响。结果表明:B的添加使各合金的塑性均有不同程度的提高;但随着含Al量的增加,FeAl合金的晶界不断弱化,B对沿晶断裂的抑制能力随之降低,含Al较高的合金塑性仅有少量改善。上述研究结果表明,B元素对FeAl合金尤其是含Al量较高合金的室温塑性的影响机制较为复杂,其适当的添加量应依据合金成分和加工工艺作进一步的研究。其它合金元素如:Mo、Zr、C等元素也有利于提高FeAl合金的室温塑性[3,25-26]。Mo的作用在于既增大解理强度又提高了晶界结合能,Zr能形成化合物起到细化晶粒的作用。FeAl合金中加入少量C
元素能形成碳化物,碳化物分布在基体上束缚住氢原子,阻止其扩散,从而降低了合金的环境脆性。212 细化晶粒细化晶粒是一种提高合金塑性的有效方法[27-28]。Chao等[21]研究了应变速率、试样表面状态及晶粒尺寸对机械合金化Fe-40%Al合金拉伸塑性的影响。结果发现:晶粒尺寸对合金塑性的影响最大;晶粒细化后,可以减少应力和应变的集中,
阻碍裂纹的萌生,从而使合金的塑性明显提高。213 热处理韧化FeAl合金在高温加工过程产生的大量的热空位,快速冷却到室温时会保存下来,使合金硬化和脆化;而且随着含Al量的增加FeAl合金中的空位随之增加。只有通过低温长时间热处理才能消除过量的热空位,合金的塑性也会随之明显提高[29]。214 复合韧化采用纤维或颗粒增强形成复合材料成为改善FeAl合金力学性能、促进其实用化的有效途径之一。常用的强化相多为陶瓷材料[30-34],如Al2O3、SiC、TiC、TiB2等。
283粉末冶金技术 2009年10月近年来,在复合强化FeAl合金方面取得了很大进展,但是高的强度、硬度通常伴随着合金韧性的降低。Inoue等[32-33]用反应热压法制备了多种陶瓷颗粒、纤维及晶须增强FeAl复合材料,研究了增强相的种类和含量对其力学性能的影响。结果表明,通过加入适量的合金元素,利用弥散强化和细晶强化作用等,可有效提高FeAl复合材料的韧性。例如:在含5%～10%(体积分数)TiC晶须增强相Fe-40%Al合金中加入少量的B元素可以抑制合金的环境脆性,复合材料的断裂韧度提高近一倍[33]。215 优化制备工艺熔铸工艺相对较为成熟、成本低,但铸态的金属间化合物合金晶粒尺寸粗大,并有宏观偏析,脆性大,难以用于重要的结构件。与铸造相比,采用粉末冶金工艺可有效控制微观组织,细化晶粒,合金的强度和伸长率均有较大幅度提高[10]。总之,上述方法均可不同程度地改善FeAl合金的韧性,但是对于含Al量较高的FeAl合金韧化机理和韧化方法还有待于进一步研究。3 提高FeAl合金的高温力学性能FeAl合金的屈服强度随着温度升高稍有增加或降低很慢,但是温度升高到400～500℃以上时,强度急剧降低,这种现象被称为反常屈服,强度开始急剧降低的临界值称为强度峰值。文献[35]总结了许多学者对这一现象的不同解释,主要是:基于APB松弛或空位硬化的位错运动持续变缓;基于位错交滑移或位错向相反方向攀移(通过与点缺陷相互作用或位错的分解实现)的位错钉扎。而最近有研究者认为[36],FeAl合金的反常屈服与热空位和位错分解没有必然联系,而是由于合金的有序度随着温度升高而降低所造成的。FeAl合金的高温蠕变变形由扩散型的位错滑移和攀移控制,其本质蠕变抗力差是由内部结构所决定的,即:高温时的运动位错为<100>型,结构简单,不易被钉扎;其所具有的B2型晶体结构扩散率非常高。合金化是提高FeAl合金高温屈服强度和蠕变抗力的主要途径。强化方法包括固溶强化(Cr、Mo、Ni、Ti等)和第二相粒子强化,其中第二相粒子主要包括碳化物、稳定氧化物及金属间化合物颗粒。311 固溶强化FeAl合金常用的固溶强化元素是B[35]、Cr[37]、Ti[37]、Ni[38]、Mo[39-40]、Zr[39]等。强化主要通过溶质原子与热空位或位错之间的相互作用进行。图1对比了不同合金元素固溶强化后FeAl合金屈服强度随温度的变化规律。
