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金属间化合物是新一代具有极大应用潜力的高温结构材料,其结构排列长程有序,具有高熔点、高热导及良好的抗磨损、腐蚀和冲击性能。其中,Fe-Al金属间化合物以其优良的高温耐蚀性、高温抗氧化性、密度小、成本低等一系列优点得到了材料学者的广泛关注。然而,室温脆性的缺点在金属化合物中普遍存在,同时温度在600℃以上时,Fe-Al系金属间化合物的抗蠕变性能变差且强度明显下降,严重影响了该材料的工业应用。在定向凝固技术及Fe-Al金属间化合物强韧化机理的研究发展基础上,本文将定向凝固技术同合金化方法结合起来以提高Fe-Al金属间化合物的高温强度和塑性。依据Fe-Al二元相图,在Fe-Al金属间化合物中添加一定量的高熔点Ta元素,借助改进的Bridgman定向凝固技术,制备凝固速率为650μm/s、700μm/s、800μm/s、900μm/s的Fe-Al-Ta共晶自生复合材料。研究分析了较高凝固速率对Fe-Al-Ta共晶的组织形貌特征、相组成、相界面形态演变规律、晶体学取向和力学性能的影响,探明定向凝固Fe-Al-Ta共晶凝固组织特征和力学性能受凝固速率的影响机理。凝固速率为650μm/s、700μm/s、800μm/s、900μm/s的Fe-Al-Ta共晶自生复合材料组织由短棒状及球状混合形式均匀存在。随着凝固速率的进一步提高,球化现象越来越明显,组织越来越细化。此时Fe-Al-Ta共晶的固液界面仍为胞状结构。根据M-S、KF理论计算出的不同凝固速率下的Fe-Al-Ta共晶的S(λ)值均为正值,任何波长的扰动都会干扰界面的稳定性,界面呈胞状结构,理论计算同实验结果一致。为了得到最小的界面能,不同凝固速率下的共晶组织在各自择优取向下保持着各自独特组织形貌,基体相和增强相之间相界面的晶格错配度为10.3%,呈半共格界面。相较于铸态、Fe3Al金属间化合物而言,定向凝固后的Fe-Al-Ta共晶的显微硬度值随凝固速率的不断升高显著提升。不同凝固速率下的Fe-Al-Ta共晶拉伸曲线在整个拉伸加载过程中非常相似,没有塑性变形特征出现,共晶组织断裂均为脆性断裂。并且定向凝固后的Fe-Al-Ta共晶组织强度得到改善,抗拉强度值远大于铸态,性能得到显著提升。凝固速率为650μm/s、700μm/s、800μm/s、900μm/s下的Fe-Al-Ta共晶断裂韧性值相比于前期较低凝固速率的Fe-Al-Ta共晶下的韧性值要高,其断裂方式依旧为解理断裂,主要是沿层片状断裂,同时伴随着穿晶断裂。其中凝固速率为700μm/s的Fe-Al-Ta共晶断口是解理-韧窝混合断口,韧性值最大为18.12MPa·m1/2,其主要增韧机制是细晶强化、裂纹偏转及界面强化。