【摘要】：Fe-Al金屬間化合物,具有價格低廉、抗氧化、耐硫化腐蝕性能優(yōu)異和比強度高等優(yōu)勢,可作為新一代的中高溫結(jié)構(gòu)材料,應(yīng)用于化工、交通、機械和能源等眾多領(lǐng)域中。然而,室溫脆性大的缺點限制了其作為塊材的加工成型,成為制約其實用化的關(guān)鍵問題和主要難題。本論文提出了在普通鋼材表面制備Fe-Al涂層以及對涂層進行增韌改性的設(shè)計思路,以企實現(xiàn)有效規(guī)避Fe-Al金屬間化合物存在的室溫脆性大難以成型加工的缺點,充分發(fā)揮其耐磨損、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)點的目的。采用新型表面技術(shù)———激光熔覆,在45#鋼表面制備具有高結(jié)合力的鐵鋁基涂層,以及利用原位自生成Al_2O_3納米顆粒和Cr合金化兩種方式增韌改性Fe-Al涂層,降低涂層中裂紋萌生的可能性,且阻礙其擴展,促進位錯交滑移。這不僅可充分發(fā)揮激光熔覆技術(shù)高效、易操作且變形小的優(yōu)勢,而且可在廉價基材表面形成與其具有良好界面相容性、綜合力學(xué)性能和耐磨性優(yōu)異的鐵鋁基涂層,對于拓寬Fe-Al金屬間化合物應(yīng)用,具有重要的現(xiàn)實意義和顯著的經(jīng)濟效益。本文首先根據(jù)Fe-Al相圖,結(jié)合激光熔覆技術(shù)特點,設(shè)計并確定金屬粉體比例為Fe:Al=71:29 at%;并從推廣應(yīng)用角度著眼,選用高效、易操作的機械合金化技術(shù)制備前驅(qū)粉體。重點圍繞球磨時間對Fe-Al粉體以及與之對應(yīng)激光熔覆層的物相、形貌和組織的影響進行系統(tǒng)研究,提出球磨過程中Fe-Al粉體組織形態(tài)演變機制,以及在高能激光作用下粉體反應(yīng)擴散模型。結(jié)果表明,球磨時間通過影響粉體冷焊和破碎機制,以及原子互擴散速度,實現(xiàn)改變粉體形貌、粒度分布和合金化程度;繼而使得粉體對激光的吸收率、熔液流動性以及凝固成形件的組織產(chǎn)生差異。隨粉體球磨時間延長,可實現(xiàn)顆粒細化、表面能增加、促進原子互擴散的目的,所形成的粉體物相為Fe(Al)固溶體。當達到理想球磨時間20h時,所得前驅(qū)粉體的晶粒尺寸為7.7692nm,平均顆粒尺寸D_(50)為1.13μm,相對比表面積達到2016m~2/kg,其尺寸分布最窄,此時粉體碎化和冷焊達到最佳動態(tài)平衡狀態(tài)。此時Al在Fe中的固溶度達到近似飽和狀態(tài)(28.2at%)。采用該粉體經(jīng)激光熔覆掃描后形成Fe-Al涂層的物相以B_2型Fe_3Al為主,還有一定量有序DO_3型Fe_3Al。該熔覆層表面質(zhì)量最佳,無“收縮球化”和開裂等缺陷。并與基材45#鋼為冶金結(jié)合,其凝固組織沿截面方向由表及里按等軸樹枝晶→柱狀樹枝晶→胞狀晶逐漸演變,其中等軸晶比例較大,且枝晶較細。但若繼續(xù)延長球磨時間,則造成粉體再次團聚和晶粒再長大,繼而使得與之對應(yīng)Fe-Al涂層表面存在裂紋,且凝固組織中枝晶粗化等現(xiàn)象發(fā)生。研究了前驅(qū)粉體球磨時間對Fe-Al激光熔覆層力學(xué)性能和耐磨性的影響規(guī)律�？傮w而言,當且僅當粉體球磨時間為20h時所對應(yīng)Fe-Al涂層具有較理想的力學(xué)性能和耐磨性。其表面平均顯微硬度值為527.2HV_(0.1),抵抗塑性變形功為0.677×10~(-9)J。說明在此條件下所得Fe-Al涂層具有較高的硬度和一定的回彈性,這對于提高涂層在室溫和高溫(400℃)下的耐磨性是有利的。另外,本文針對Fe-Al涂層室溫脆性大的問題,首次提出采用煅燒技術(shù),在具有高活性和大畸變能的Fe-Al球磨粉體外表面原位生成Al_2O_3顆粒的方法;再利用納米顆粒增韌,提高Fe-Al激光熔覆層塑、韌性。首次揭示了煅燒溫度對前驅(qū)體原位生成Al_2O_3粒徑以及與之對應(yīng)Al_2O_3/Fe-Al復(fù)合涂層中物相、組織分布的影響規(guī)律,探討增強相分布形態(tài)與涂層冶金缺陷的內(nèi)在聯(lián)系,重點研究熔池非平衡冶金凝固過程、增強相顆粒與基體相傳熱傳質(zhì)過程,實現(xiàn)對粉體“控形”和涂層“控性”的統(tǒng)一。研究結(jié)果表明,煅燒溫度直接影響球磨粉體外表面原位生成的Al_2O_3顆粒的粒徑及含量,繼而影響復(fù)合涂層中增強相Al_2O_3對基體相Fe_3Al的增韌補強效果。當煅燒溫度升高至850℃時,原位生成Al_2O_3顆粒粒徑達納米級(50~100nm),其所對應(yīng)Al_2O_3/Fe-Al復(fù)合涂層中Al_2O_3彌散分布于凝固組織中,抑制晶粒長大、細化組織。然而過高的煅燒溫度導(dǎo)致原位生成的Al_2O_3過度生長至亞微米級(500nm~1μm),不僅造成前驅(qū)粉體發(fā)生“硬團聚”現(xiàn)象,而且導(dǎo)致涂層中增強相與基體相潤濕性差,且在界面處存在裂紋等缺陷。在此基礎(chǔ)上,重點分析原位生成Al_2O_3粒徑和含量對Fe-Al激光熔覆層力學(xué)性能和耐磨性影響規(guī)律,通過試驗證明納米級(50~100nm)Al_2O_3顆�？赏ㄟ^阻礙裂紋萌生和擴展,明顯改善涂層的塑、韌性,使其顯微硬度提高至651.9HV_(0.1),抵抗塑性變形功減小至0.451×10~(-9)J。并且由于納米顆粒的釘扎強化作用,降低了涂層在室溫下的磨粒磨損;加之,Al_2O_3“微滾珠”的自潤滑作用,使涂層在高溫下也具有減摩耐磨優(yōu)勢�？偨Y(jié)提出:Al_2O_3納米顆粒增韌Fe-Al涂層機制實為彌散強化、細晶強化、橋聯(lián)增韌以及減緩環(huán)境氫脆等多種方式的耦合效應(yīng)。除納米顆粒增韌外,本論文研究Cr合金化增韌改性Fe-Al激光熔覆層技術(shù),確定Cr理想固溶量為5at%。并結(jié)合理論計算結(jié)果,從電子結(jié)構(gòu)、成鍵特性、位錯滑移等多角度綜合分析Cr增韌Fe-Al涂層機制,提出Cr通過改變Fe_3Al中電荷密度、原子鍵,改善晶界結(jié)構(gòu)以及降低反相疇界能,提高塑性和韌性。結(jié)果表明,Fe-Al-Cr激光熔覆層的物相組成以Fe_3Al(Cr)為主,其凝固組織具有較高的致密度和力學(xué)性能,保證了其在室溫和高溫下均具有較好的耐磨性。然而,若Cr過量至7.5at%,超過Fe_3Al的最大固溶度,則形成Cr_2Al硬質(zhì)相。這不僅造成凝固組織的粗化和偏析,而且嚴重影響Fe-Al涂層的力學(xué)性能和耐磨性的提高。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4;TG665
【圖文】：

1.2.1 Fe3Al 和 FeAl 合金的晶體結(jié)構(gòu)1932 年，Bradley 和 Jay 發(fā)現(xiàn)了 Fe-Al 金屬間化合物具有 B2和 DO3兩種有序結(jié)構(gòu)。當 量為 25%～35at%時，室溫下 Fe3Al 金屬間化合物為 DO3長程有序結(jié)構(gòu)。當 Al含量為 25at Fe3Al 金屬間化合物的點陣常數(shù)為 0.5780nm，其單胞如圖 1.1 所示[51-52]。該單胞是由 8 個心立方晶胞所組成的大晶胞，其中 Fe 原子占據(jù)每個小體心立方晶胞的頂角，而 Al 原子則其余 4個共棱小體心立方晶胞的體心位置[53]。室溫下 Al 含量為 35~50at%時，在室溫下形成 B2有序結(jié)構(gòu)的 FeAl 金屬間化合物[54-55]。胞如圖 1.1(b)所示，為簡單體心立方結(jié)構(gòu)，其中 Fe 占據(jù)頂角位置 Al 占據(jù)體心位置。該晶點陣常數(shù)隨 Al 含量及熱處理工藝發(fā)生改變，如不經(jīng)熱處理的 FeAl 合金(其中含 Al 38.9at%晶格常數(shù)為 0.2896nm，但經(jīng)過 773K和 1273K淬火處理的 Fe-50Al 的金屬間化合物的晶格分別為 0.2905nm和 0.2909nm[56-57]。根據(jù)圖 1.2 合金二元相圖可知，隨著溫度和鋁成分的變化，DO3型 Fe3Al 會以二級相變式向部分有序 B2結(jié)構(gòu)及無序 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。其中 DO3→B2轉(zhuǎn)變溫度約為 550℃，B2→ 轉(zhuǎn)變約為 950℃[58]。

圖 1.2 Fe-Al合金二元相圖[53]l 合金的性能特點立方 DO3有序結(jié)構(gòu)，熔點為 1540℃，密度為 6.7g/cm3，其室特點為比重小、彈性模量高，且在使用溫度低于 1000℃時鋼、高溫合金，表現(xiàn)出良好的耐磨損、抗氧化性和耐腐蝕性合物拉伸過程中位錯組態(tài)的觀察和斷口形貌的分析，認為造由于較低的解理強度和由四個單分位錯組成的超點陣位錯滑度和塑性與其化學(xué)成分和溫度密切相關(guān)[62]。首先對室溫條件拉伸試驗，結(jié)果表明，若 Al 含量低于 27at%的單晶或多晶曲線呈拋物線，無加工硬化現(xiàn)象出現(xiàn)，這是由于該類合金屈滑移形式進行。由于合金中含有大量 DO3有序疇界，能夠強化作用；若 Al 含量大于 27at%的 Fe3Al，其應(yīng)力應(yīng)變曲線階段和一個拋物線階段。其中第一個線性硬化階段對應(yīng)四分的相互釘扎和塞積，導(dǎo)致加工硬化速率迅速升高。繼而由于

激光熔覆鐵鋁基涂層的制備及其增韌和抗磨機理研究際工程中的應(yīng)用。因而為規(guī)避該問題，并兼顧考慮降在鋼鐵表面制備Fe-Al基合金涂層，這無疑是一種經(jīng)物發(fā)展的重要方向之一[118]。這樣不僅可避免Fe-Al塊鐵材料的使用壽命，并充分發(fā)揮金屬間化合物良好的對于開拓Fe-Al金屬間化合物在涂層防護新領(lǐng)域的推效益。目前，已采用熱浸鍍、熱噴涂、堆焊和雙輝等合金涂層[119, 122-124,129, 135-136]。種傳統(tǒng)表面改性技術(shù)，首先將涂層材料熔化成為熔液-工件界面處通過金屬溶解、化學(xué)反應(yīng)以及擴散等，形中取出時，其表面熔液迅速冷卻和凝固即為鍍層。該強度。該技術(shù)具有設(shè)備簡單、操作方便等優(yōu)點，既可產(chǎn)。其工作原理示意圖見圖 1.3。

【參考文獻】

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本文編號：2774964