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Fe-Al金属间化合物(Fe3Al、FeAl)具有优异的抗氧化性、抗硫化腐蚀及耐磨损性能,而且密度小、强度高,公认为是在航空航天及汽车制造领域具有重要应用价值的新材料。然而,Fe-Al金属间化合物的室温脆性及873 K以上强度和蠕变抗力急剧降低仍是制约其实用化的两大关键因素。前期研究表明,2-6 at.％的Cr能明显增强Fe-Al金属间化合物的强度和韧性。粉末冶金制备Fe-Al-Cr金属间化合物具有晶粒细化、成分均匀等优点,克服液态成形Fe-Al-Cr金属间化合物晶粒粗大、成分偏析等的缺陷,可望开发结构与性能更加优异的新型Fe-Al-Cr金属间化合物材料。
本文采用高能球磨的机械合金化(MA)合成Fe-28Al-5Cr、Fe-40Al-5Cr三元合金粉体,真空退火后,再经热压烧结制备纳米晶Fe3Al(Cr)及FeAl(Cr)块体材料。采用XRD、SEM、TEM和DSC等研究球磨粉体及热压块体的显微组织结构及其演变过程,测试了烧结块体的力学性能。研究了球磨粉体的合金化机制及块体的强韧化机制。
在MA初期,Fe-28Al-5Cr粉体的合金化是通过Al原子优先向Fe(Al)中,而不是向Fe-Cr(Al)中的扩散来进行的;延长球磨时间,Fe(Al)中的Al和Fe-Cr(Al)中的Cr间的互扩散逐渐实现成分的均匀化,最终形成成分均匀的Fe(Al,Cr)固溶体,该过程遵循“连续扩散混合”机制。球磨70 h后,粉体主要由纳米晶Fe(Al,Cr)构成,晶粒尺寸约为9.5 nm。球磨70 h的Fe-28Al-5Cr粉体在从室温到873K的热处理过程中,发生了由Fe(Al,Cr)固溶体向有序的DO3-Fe3Al(Cr)金属间化合物转变,同时发生明显的晶粒长大。Cr成分在MA及随后热处理过程中抑制Fe-28Al-5Cr粉体的成分均匀化及有序化转变。
MA Fe-28Al-5Cr纳米晶粉体,1023 K真空退火后,再经1523 K、25 Mpa热压成致密块体。热压块体中,Fe3Al(Cr)相以B2结构为主,同时还含有少量的Al2O3。在热压过程中,发生晶粒长大,但晶粒尺寸仍在纳米级。Fe3Al(Cr)块体的压缩强度达到1313 Mpa,维氏硬度为671.HV0.2,断裂韧性KIC为5.0Mpa·m1/2。热压Fe3Al(Cr)块体材料良好的力学性能主要是由于晶粒细化、组织均化及Cr微合金化。热压Fe3Al(Cr)试样抗弯断口比较平整,呈沿晶及解理断口特征。
在MA Fe-40Al-5Cr粉体的合金化初期阶段,Al优先向Fe中扩散,而向Fe-Cr中扩散缓慢,形成Fe(Al)及Fe-Cr(Al)固溶体:继续球磨,发生Fe(Al)及Fe-Cr(Al)中Al、Cr原子的相互扩散,最终形成成分均匀的新相,即Fe(Al,Cr)固溶体。该过程遵循“连续扩散混合”机制。球磨70 h后,粉体主要由纳米晶Fe(Al,Cr)构成,晶粒尺寸约为12.9 nm。球磨70 h的Fe-40Al-5Cr粉体在从室温到873K的热处理过程中,发生了由Fe(Al,Cr)固溶体向有序B2-FeAl(Cr)金属间化合物的转变,同时伴随着明显的晶粒长大。Cr成分在MA及随后热处理过程中抑制了Fe-40Al-5Cr粉体的成分均匀化及有序化转变。
MA Fe-40Al-5Cr纳米晶粉体,1023 K真空退火后,再经1523 K、25 Mpa热压成致密块体。热压块体由B2-FeAl(Cr)及少量的Al2O3构成。热压导致晶粒长大,但晶粒尺寸仍在纳米级。FeAl(Cr)块体的压缩强度高达1391 Mpa,维氏硬度为853 HV0.2,断裂韧性Kic为10 Mpa·m1/2。热压FeAl(Cr)块体良好的力学性能主要是由于晶粒细化、组织均化及Cr微合金化。热压FeAl(Cr)试样弯曲断口呈现不完全的脆性断裂,具有部分韧性断裂的特征。