镍对于Fe3Al金属间化合物性能的影响

第９卷增刊

嚣束冶童工业

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镍对于Ｆｅ３Ａｌ金属间化合物性能的影响

王兴庆隋永江

（上海大学材料系

上海２０００７２）

吕海波

（中南工韭大学粉冶所

长沙４１∞８３）

摘要本文研究了镍对Ｆｅ，Ａｌ金属问化合物力学性能和微观结构的影响。试样采用混台粉末反应准热等静压工艺制备，准热等静压温度为１０００℃。在反应烧结中施加压力有助于混合粉末反应烧结致密化，结果可获得致密度高、晶粒细的Ｆｅ３Ａｌ金属间化合物。添加第三元素镍有利于反应烧结致密化、提高合金的力学性能，室温下的力学性能测试表明硬度和抗拉强度随镰含量增加而增加。并且添加镍还能改善延性，Ｆｅ３Ａｌ金属间化合物拉伸试样的断口模型为穿晶解离和准解离混合断口。添加镍后准解离断口量增加。

反应烧结准热等静压镍箍氏弘蚓哇翦前。ｉＦ吣矜卞；ｊ；关键词Ｆｅ３Ａ１险属间化合物Ｊ——’——————～。———’‘’—一

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王妊庆：颈士．副数授．曾留学英国，从事粉末冶金科研和教学工作。隋永江：原材料系数授。

收稿日期：１９９９一０１一０６

糟末冶金工业

第９卷

１引言

Ｆｅ３Ａｌ金属间化合物弹性模量高、抗氧化、

抗腐蚀性能好而且其原料价格低，所以作为高

温材料使用具有很大的优势。不过这种材料的室温脆性大、加工性能差使它的使用受到极大的限制。为了改善Ｆ钓Ａｌ的延性，长期以来尤其近十几年来对Ｆｅ，Ａｌ作了大最研究，并取得

了很大的进展。Ｆｅ３Ａｌ通常被认为是没有延性的脆性材料。有关脆性机理有多种看法，一种看法认为缺乏延性是由于虚弱的无序晶界造成的“’“．另一种看法认为单晶体也会发生脆性穿晶解离断裂，所以脆性不是来自晶界ｏｏ】。

Ｆｅ３Ａｌ为体心立方结构。类似于ｂｃｃ结构，这些

结构有高度的晶体对称性和精移性，所以在室

温下其本质是延性的一ｏ“。最近的研究表明，通过控制成分和结构可以得到１０％～１５％的

延性”’…。０ＲＮＬ研究表明，通过添加合金元素可以将断裂模型从穿晶断裂变成沿晶断裂，使延性得到提高“Ｊ。经过性能改善后的Ｆｅ，Ａｌ金属间化合物可以成功地制成管、板和其他各

种形状的零件””。

Ｆｅ３Ａｌ金属间化合物与其他化合物一样．

室温脆性是阻碍其使用的主要障碍。对于

Ｆｅ，Ａｌ金属间化合物它还存在着另一个问题，即当温度高于４００℃时强度会急剧下降。如不

加以改善就不适合于作为高温承受负荷的结构

材料。性能急剧下降的原因是相转变造成的。

由二元相图可见““，随着温度的增加。在５２０℃以上发生由有序相Ｄ嘎向有序度低的Ｂ２相的转变。当温度增加到７６０℃时，发生Ｂ２向无序相ａ的转变。Ｂ２和ａ相的转变使材料发

生了软化。针对这一问题人们对如何提高高温强度进行了研究。研究发现，稳定有序相结构

即提高相转变温度可以保持高温强度。研究结果表明，添加合金元素铬、硼、钛、锆、镍、钼、硅等可以提高Ｆｅ，Ａｌ结构的转变温度，从而提高其高温强度ｏ”１“。

为了提高Ｆｅ３Ａ１金属问化合物的延性和高

温强度，本文采用准热等静压工艺研究镍对铁、铝混合物加压反应烧结和Ｆｅ，Ａｌ金属问化合物

力学性能的影响。

２实验与结果

将铁，镍，铝金属粉末进行混合，经压制成

初成形坯后装模进行准热等静压，然后进行高

温稳定化处理，制得Ｆｅ３Ａ１合金。

ＦｂＡｌ化合物成分为Ｆｅ—１３．８％Ａｌ，添加

０％～１５％Ｎｉ。采用小于４０ｐｍ（一３６０目）和４０

～８９ｐｍ（一１５０～３６０目）粉末粒度，以研究粉末粒度对加压反应烧结的影响，铁粉来自Ｈ０９ａｒｍ公司，铝粉来自Ｍｅｔａｌｌｏｙｓ公司．压制

坯尺寸为忆０ｍｍ高２０ｍｍ圆柱体，压制压力为

５５０ＭＰａ，压坯密度大约为８５％理论密度，准热等静压在１０００℃下进行，时间２０ｍｉｎ，等静压后的试样以水淬和炉冷两种方式冷却，部分水淬

试样在６５０℃下时效２４ｈ。

制取的试样进行线切割，制成帕ｍｍ×１５ｍｍ的拉伸试样，然后作如下测试和分析：密度、抗拉强度、显微硬度和硬度测试，ｘ一衍射分析和微观结构、断裂表面观察和分析。

２．１准热等静压态的微观结构

图１是１０００℃下准热等静压试样的ｘ一衍射图谱。ｘ衍射分析表明，在１０００℃已经发生了金属间化合物的化合反应，生成了新相金属间化合物Ｆｅ２舢５。由金相照片可见，金属间化合物在铁颗粒基础上形成，中心还残留有未化合的铁（见图２）。在原始铝的位置形成了

一定量的孔隙。

２．２热处理后的微观结构

准热等静压试样的微观组织并不是Ｆｑ舢

并且还存在少量铁，所以需要进行时效热处理。

图３是经过６５０℃２４ｈ时效热处理后的ｘ一衍

射图谱，结果表明，合金组织已完全转变成Ｆｅ３Ａｌ。图４是热处理后的金相照片。由图４可见，高密度金属问化合物已经获得，试样中只

发现有少量的孔隙存在。孔洞的数量和大小随镍含量的增加而下降。图４还表明，徽观结构

由两种晶粒组成：细晶和粗晶，类似项圈，细晶

增刊

手兴庆等：镍对于飚Ａｌ金属间化岔物性髂的膨晌

粒度的变化与镍含蛙的关系。

粒尺寸和数量随镍的增加而增加。图５表示晶

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粉末冶金－［业

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１０００℃准热等静压并经时效处理试样的

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田６试样徽观硬度与镰舍量的关系

２．３力学性能

２．３．１硬度

图６和图７表示含０％～１５％镍试样的宏

观硬度和微观硬度。硬度的增加随镍含量增加

呈线性关系，微观硬度要高于宏观硬度，这是由于孔洞所致，经过时效的试样硬度获得提高。

２．３．２拉伸性能

图８表示１０００℃准热等静压并经过６５０℃

２４ｈ时效处理试样的拉伸性能与镍含量的关系。由图８可见，抗拉强度受镍含量的影响，随

镍含量的增加而增加，且延性也稍有增加。

２．３．３断裂分析

采用扫描电镜对拉伸试样作断口分析（图９和图１０），观察发现，粗细晶粒样品的断裂模型不同，细晶粒样品为准解理断口，而粗晶粒样

品为穿晶断裂。添加镍出现了蜂窝状断口，而

且蜂窝花样随镍添加量的增加而增加，镍的添加改变了断裂模型。同样还发现，添加镍穿晶

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时效处理试样的拉伸性ｔ与镰含量的关系

图９

ｌ∞ｏ℃准热等静压并经６５０℃２４ｈ时效处理不含镍试样的断口形貌

解理的台阶数量和深度增加．由于解理面台阶的数量和深度增加将会吸收更多的断裂能量，

结果材料的延性得到改善。图９还表明了不同

取向的断裂台阶。

增刊

千兴庚等：镶对于Ｆ勺Ａｌ金属同化台物性能的影响

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ｌ帅ｏ℃准热等静压并经６５０℃２４ｈ时效处理含ｌｓ％镍试样的断口形貌

３．１准热等静压的作用

大量的研究一致公认“”２…，铁一铝混合粉

末的烧结性能相当差，这是因为铁一铝原子的扩

的要大得多，结果引起了科肯塔尔效应，在烧结采用在反应烧结中加压的方法可以获得高密度的试样。于１０００℃下进行准热等静压，在压力作用下可增加铁、铝粉末颗粒之间的接触、加速原子的扩散，可得到富铝的金属间化合物，并且由于压力的作用抑制了合金的膨胀。研究ｕ”

指出，在化合物的形成反应中会释放出大量的热，这将会导致烧结体的膨胀和孔隙的形成，所以在常压下烧结合金是膨胀的。如在烧结中施

加压力可抑制在反应烧结中的膨胀并消除孔隙。本研究采用１０００℃加压烧结法先制成富

铝相金属问化合物，然后再进行均匀化处理，可制得较高密度的金属间化合物制品。

３．２镍对合金组织的影响

准热等静压反应烧结所得到的是成分很不均匀的富铝相化合物以及残余的铁，必须采用

高温均匀化处理，通过扩散来达到台金成分均

匀化以及Ｆｅ３Ａｌ的转变，而在均匀化处理中仍会发生偏扩散，从而产生｝Ｌ隙。添加镍可以阻

止铁、铝和富铝相之间的扩散度差，降低孔洞的

形成蹙。本研究结果表明，镍的添加降低了孔

隙度，并且随镍添加量的增加孔隙度下降，而且镍的添加还能细化晶粒，并且随镍含量的增加细晶粒数量增加。

３．３镍对力学性能的影响

由微观结构发现，添加镍后孔隙度下降，晶

粒细化，产生细晶粒层状结构，这可以大大提高硬度和强度并改善延性。孔洞数量和尺寸的减

少对于提高粉末冶金金属间化台物的性能非常

重要。晶粒的细化对于提高合金强度并改善延

性是一种有效的方法。Ｂａｋｅｒ和Ｍｏｒｒｉｓ口ｏｔ２１１研究发现，金属问化合物强度与性能的关系也符合ＨａｌＬＰｅｔｃｈ关系：

ｄ＝咖＋Ｋｄ—Ｉ，２

这里咖是晶格抗力，Ｋ是Ｈａｌｌ—Ｐｅｔｃｈ梯度。图

ｌｌ表明晶粒尺寸与强度之间的关系，它表明实

验结果完全符合这种关系式，晶粒细化层状结构增加了合金的延性。断口分析发现，晶粒粗细断口形态各不同，粗晶粒断口为穿晶断裂，而细晶断口出现一定量的蜂窝状形态，说明细晶

粒中发生了延性变形。除了上述优点外，镍还具有固溶强化的作用。研究ｏ“指出，镍优先占

据铁的晶格，这就大大提高了合金的硬度。

时效处理对金属间化合物的强化有一定的

影响，这是因为发生了ａ相的沉积。ｘ衍射分析表明，在水淬和时效处理后，组织已转变成

Ⅸ）３Ｆｅ３Ａｌ相。但由于ｎ相和Ｄ（）３非常接近，所以没有发现ａ相。文献（２３】指出，接近２４％ＡＪ

的化合物在４００℃以上可进行时效硬化，由有

序相ＤＩＤ３沉积出ａ相。本研究结果表明，试样具有较高的合金性能，这除了准热等静压提高了合金的密度以外，时效处理对提高合金的性能也有很大的作用。

４结论

（１）采用准热等静压反应烧结工艺可制得接近全致密的Ｆｅ３ＡＩ金属间化台物；

（２）添加镍可以减少金属间化台物中孔隙的数量和孔洞的大小ｉ

３讨论

散系数差异很大，铝原子的扩散速度比铁原子制品中留下了大量空隙。本研究的结果表明，

粉末冶金工业

第９卷

（３）添加镍有效地细化ｒ晶粒的尺寸并产

（５）热处理即淬火和时效可以获得最高的

合金硬度；

（６）添加镍改变了合金的断裂模型。

生了细晶粒层状结构；

（４）添加镍增加了金属问化合物的强度和

硬度并改善ｒ延性；

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