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

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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。