鐵基及鎳基金屬-金屬間化合物微疊層復(fù)合材料制備與化合物層組織性能研究.pdf

1、金屬間化合物微疊層復(fù)合材料（Metal-Intermetallic-Laminate，簡稱MIL）是依據(jù)仿生學(xué)原理，模擬自然界中貝殼的結(jié)構(gòu)，以高硬度、高彈性模量的金屬間化合物作為強(qiáng)性層與塑性、韌性較好的金屬交替疊加獲得的新型層狀復(fù)合材料。微疊層復(fù)合材料通過較小的層間距和多界面效應(yīng)，能夠有效提高金屬間化合物的斷裂韌性以及抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，使其成為具有低密度、高強(qiáng)度、高比模量、高韌性等優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料。微疊層復(fù)合材料有望在

2、空間碎片超高速碰撞防護(hù)、地面輕型裝甲車、武器裝備防護(hù)和航空航天等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
　　目前為止，研究最廣泛的鈦基MIL材料僅由一種脆性金屬間化合物層構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)不僅不利于阻止裂紋的擴(kuò)展，同時(shí)金屬間化合物/金屬層之間較大的力學(xué)性能差異將導(dǎo)致界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，為了充分發(fā)揮MIL材料的界面效應(yīng)，進(jìn)一步韌化MIL材料的化合物層，本論文針對(duì)具有多層金屬間化合物結(jié)構(gòu)的鋁/鐵和鋁/鎳反應(yīng)體系，利用不同的鐵基、鎳基合金箔材制備MIL材料，

3、通過掃描電鏡、X射線衍射儀、電子背散射衍射、硬度儀等分析手段，研究了合金化及高溫退火對(duì)鐵基、鎳基MIL材料中化合物層相組成、生長動(dòng)力學(xué)、擴(kuò)散織構(gòu)以及界面性能的影響。
　　論文得出如下主要結(jié)論:
　　1.在Al與430-SS的固/固反應(yīng)中形成了以硬脆性Fe2Al5相為主的金屬間化合物層;半固態(tài)反應(yīng)獲得的化合物層主要為具有共晶結(jié)構(gòu)的兩相層和含有富Cr相的均勻?qū)訕?gòu)成的多層結(jié)構(gòu);在液態(tài)反應(yīng)中，由于化合物層中的Fe、Cr元素不斷溶入液

4、態(tài)Al中，導(dǎo)致粗大的Fe4Al13和Al2Cr13初生相在Al層中形成，割裂了430-SS基MIL材料組織的連續(xù)性。結(jié)果表明，半固態(tài)反應(yīng)工藝是制備鐵基MIL材料的最優(yōu)化工藝。
　　2.以純鐵、430-SS(Fe-Cr)和304-SS(Fe-Cr-Ni)為基的鐵基MIL材料不僅具有原材料成本低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼具多層金屬間化合物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。從Al/Fe，Al/430-SS到Al/304-SS反應(yīng)，隨著Cr、Ni元素逐步參與反應(yīng)，不僅在均

5、勻?qū)又猩珊珻r、Ni元素的第二相，而且促使韌性較好的兩相層在化合物層中所占的厚度比從430-SS中的約20％提升到304-SS中的約40％。合金化導(dǎo)致Al/Fe反應(yīng)中由于快速擴(kuò)散形成的<001>方向擴(kuò)散織構(gòu)在Al/430-SS和Al/304-SS反應(yīng)中逐漸減弱。計(jì)算獲得的Al/Fe、Al/430-SS和Al/304-SS反應(yīng)的擴(kuò)散激活能分別為150kJ/mol、200kJ/mol和220kJ/mol。
　　3.高溫退火過程中在4

6、30-SS基MIL材料金屬/金屬間化合物層界面處形成了韌性的B2結(jié)構(gòu)層以及Al濃度漸變的擴(kuò)散固溶區(qū)域。這些顯微組織轉(zhuǎn)變降低了半固態(tài)反應(yīng)中從硬脆金屬間化合物層到韌性金屬層間的硬度突變，減小鐵基MIL材料在變形過程中出現(xiàn)分層失效的幾率。利用擴(kuò)散方程建立了濃度依賴條件下化合物成分與反應(yīng)時(shí)間的動(dòng)力學(xué)模型，使用有限差分法獲得了該方程的等效數(shù)值解。并證明了計(jì)算結(jié)果在預(yù)測(cè)高溫退火過程中化合物層厚度和濃度方面的可靠性。
　　4.在以純Ni、Inv

7、ar(Ni-Fe)和Inconel(Ni-Fe-Cr)為基的鎳基MIL材料中，形成的金屬間化合物層都具有多層結(jié)構(gòu)。鐵、鉻等元素的合金化導(dǎo)致鎳基MIL材料的化合物層從純鎳的Al3Ni、Al3Ni2單相層轉(zhuǎn)變?yōu)镮nvar及Inconel中具有共晶結(jié)構(gòu)的兩相共存層和組織均一細(xì)小的均勻?qū)?。顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，兩相層具有良好的韌性，與鎳基MIL材料多層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相結(jié)合，能夠有效的抑制脆性裂紋在鎳基MIL材料中的生成和擴(kuò)展。鎳基MIL材料中的多層結(jié)

8、構(gòu)呈現(xiàn)出“混合動(dòng)力學(xué)生長機(jī)制”，其中兩相層的生長受界面反應(yīng)控制，而均勻?qū)拥纳L受體擴(kuò)散控制。
　　5.提出并證明了溶解度判定模型可以快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)三元及三元以上反應(yīng)體系下鐵基和鎳基MIL材料中兩相區(qū)的相組成。計(jì)算了不同鐵基及鎳基反應(yīng)體系中金屬箔材的生成率R;建立了初始箔材厚度和最終化合物層厚度間的函數(shù)關(guān)系:y=F(x,ρi，Wi)=ρAlx/∑μi·wi·ρi;并通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果在當(dāng)前反應(yīng)體系中的可靠性。通過化學(xué)成分-