【摘要】：Fe-Al金屬間化合物,具有價(jià)格低廉、抗氧化、耐硫化腐蝕性能優(yōu)異和比強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì),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(jī)械和能源等眾多領(lǐng)域中。然而,室溫脆性大的缺點(diǎn)限制了其作為塊材的加工成型,成為制約其實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)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(duì)涂層進(jìn)行增韌改性的設(shè)計(jì)思路,以企實(shí)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(diǎn),充分發(fā)揮其耐磨損、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)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(kuò)展,促進(jìn)位錯(cuò)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(shì),而且可在廉價(jià)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?xún)?yōu)異的鐵鋁基涂層,對(duì)于拓寬Fe-Al金屬間化合物應(yīng)用,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和顯著的經(jīng)濟(jì)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(diǎn),設(shè)計(jì)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(jī)械合金化技術(shù)制備前驅(qū)粉體。重點(diǎn)圍繞球磨時(shí)間對(duì)Fe-Al粉體以及與之對(duì)應(yīng)激光熔覆層的物相、形貌和組織的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究,提出球磨過(guò)程中Fe-Al粉體組織形態(tài)演變機(jī)制,以及在高能激光作用下粉體反應(yīng)擴(kuò)散模型。結(jié)果表明,球磨時(shí)間通過(guò)影響粉體冷焊和破碎機(jī)制,以及原子互擴(kuò)散速度,實(shí)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(duì)激光的吸收率、熔液流動(dòng)性以及凝固成形件的組織產(chǎn)生差異。隨粉體球磨時(shí)間延長(zhǎng),可實(shí)現(xiàn)顆粒細(xì)化、表面能增加、促進(jìn)原子互擴(kuò)散的目的,所形成的粉體物相為Fe(Al)固溶體。當(dāng)達(dá)到理想球磨時(shí)間20h時(shí),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(duì)比表面積達(dá)到2016m~2/kg,其尺寸分布最窄,此時(shí)粉體碎化和冷焊達(dá)到最佳動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)Al在Fe中的固溶度達(dá)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(wú)“收縮球化”和開(kāi)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(shù)枝晶→柱狀樹(shù)枝晶→胞狀晶逐漸演變,其中等軸晶比例較大,且枝晶較細(xì)。但若繼續(xù)延長(zhǎng)球磨時(shí)間,則造成粉體再次團(tuán)聚和晶粒再長(zhǎng)大,繼而使得與之對(duì)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(shí)間對(duì)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(dāng)且僅當(dāng)粉體球磨時(shí)間為20h時(shí)所對(duì)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(shuō)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(duì)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(duì)Fe-Al涂層室溫脆性大的問(wèn)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(duì)前驅(qū)體原位生成Al_2O_3粒徑以及與之對(duì)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(qiáng)相分布形態(tài)與涂層冶金缺陷的內(nèi)在聯(lián)系,重點(diǎn)研究熔池非平衡冶金凝固過(guò)程、增強(qiáng)相顆粒與基體相傳熱傳質(zhì)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng)相Al_2O_3對(duì)基體相Fe_3Al的增韌補(bǔ)強(qiáng)效果。當(dāng)煅燒溫度升高至850℃時(shí),原位生成Al_2O_3顆粒粒徑達(dá)納米級(jí)(50~100nm),其所對(duì)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(zhǎng)大、細(xì)化組織。然而過(guò)高的煅燒溫度導(dǎo)致原位生成的Al_2O_3過(guò)度生長(zhǎng)至亞微米級(jí)(500nm~1μm),不僅造成前驅(qū)粉體發(fā)生“硬團(tuán)聚”現(xiàn)象,而且導(dǎo)致涂層中增強(qiáng)相與基體相潤(rùn)濕性差,且在界面處存在裂紋等缺陷。在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析原位生成Al_2O_3粒徑和含量對(duì)Fe-Al激光熔覆層力學(xué)性能和耐磨性影響規(guī)律,通過(guò)試驗(yàn)證明納米級(jí)(50~100nm)Al_2O_3顆�？赏ㄟ^(guò)阻礙裂紋萌生和擴(kuò)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(qiáng)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(rùn)滑作用,使涂層在高溫下也具有減摩耐磨優(yōu)勢(shì)�？偨Y(jié)提出:Al_2O_3納米顆粒增韌Fe-Al涂層機(jī)制實(shí)為彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)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(jì)算結(jié)果,從電子結(jié)構(gòu)、成鍵特性、位錯(cuò)滑移等多角度綜合分析Cr增韌Fe-Al涂層機(jī)制,提出Cr通過(guò)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(guò)量至7.5at%,超過(guò)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(yán)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：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(dāng) 量為 25%～35at%時(shí)，室溫下 Fe3Al 金屬間化合物為 DO3長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。當(dāng) Al含量為 25at Fe3Al 金屬間化合物的點(diǎn)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(gè)心立方晶胞所組成的大晶胞，其中 Fe 原子占據(jù)每個(gè)小體心立方晶胞的頂角，而 Al 原子則其余 4個(gè)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(shí)，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(jiǎn)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(diǎn)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(guò) 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(huì)以二級(jí)相變式向部分有序 B2結(jié)構(gòu)及無(wú)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(diǎn)立方 DO3有序結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)為 1540℃，密度為 6.7g/cm3，其室特點(diǎn)為比重小、彈性模量高，且在使用溫度低于 1000℃時(shí)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(guò)程中位錯(cuò)組態(tài)的觀察和斷口形貌的分析，認(rèn)為造由于較低的解理強(qiáng)度和由四個(gè)單分位錯(cuò)組成的超點(diǎn)陣位錯(cuò)滑度和塑性與其化學(xué)成分和溫度密切相關(guān)[62]。首先對(duì)室溫條件拉伸試驗(yàn)，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(wú)加工硬化現(xiàn)象出現(xiàn)，這是由于該類(lèi)合金屈滑移形式進(jìn)行。由于合金中含有大量 DO3有序疇界，能夠強(qiáng)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(gè)拋物線階段。其中第一個(gè)線性硬化階段對(duì)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(jī)理研究際工程中的應(yīng)用。因而為規(guī)避該問(wèn)題，并兼顧考慮降在鋼鐵表面制備Fe-Al基合金涂層，這無(wú)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(duì)于開(kāi)拓Fe-Al金屬間化合物在涂層防護(hù)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(guò)金屬溶解、化學(xué)反應(yīng)以及擴(kuò)散等，形中取出時(shí)，其表面熔液迅速冷卻和凝固即為鍍層。該強(qiáng)度。該技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，既可產(chǎn)。其工作原理示意圖見(jiàn)圖 1.3。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2774964