Fe3Si基過渡金屬硅化物滲層及納米復(fù)合粉體的制備與表征.pdf

1、金屬間化合物由于具有金屬鍵與共價(jià)鍵之混合鍵型,而呈現(xiàn)出金屬性與陶瓷性兩者兼有的獨(dú)有特性。但是,其室溫脆性大和高溫強(qiáng)度低的弊端依然是困擾這類材料實(shí)用化的關(guān)鍵問題。Fe3Si具有優(yōu)異的軟磁性能、良好的抗氧化和耐腐蝕性,其性能隨Si含量不同而迥異。其中,含Si約6.5 wt％的Fe-Si合金與普通硅鋼片(Si3wt％)相比,具有鐵損低、磁致伸縮接近于零,磁導(dǎo)率高,矯頑力低等特點(diǎn);Si含量為25.2 at％的杜里龍(Duriron)合金甚至能夠

2、抵抗沸騰硫酸的侵蝕。向金屬間化合物中引入塑性相雖然能在一定程度上增加塑韌性,但必然會(huì)犧牲其高溫強(qiáng)度和抗氧化性能。本文將其制成表面覆層,避開了增韌金屬間化合物面臨的困難。另外,金屬間化合物由于其特有的強(qiáng)度隨溫度升高先上升后下降的R效應(yīng),使得金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料有望成為一種極具潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料。本文利用反應(yīng)合金化的方法,制備了Fe3Si/Al2O3納米復(fù)合粉體,反應(yīng)產(chǎn)物具有潔凈界面,并且避免了球磨過程中常見的引入氧化物雜質(zhì)的問題。研

3、究成果對(duì)解決Fe3Si室溫塑眭低和高溫強(qiáng)度差的問題具有一定的指導(dǎo)意義。
　　 本文首先選擇了低熔點(diǎn)的融鹽滲硅體系,在800℃融鹽中,制備了AISI304表面Fe3Si型過渡金屬硅化物滲層。采用x射線衍射儀(XRD)分析了滲硅層的物相組成,用附帶能量色散譜儀(EDS)附件的掃描電子顯微鏡(SEM)研究了滲層截面的形貌和成分,分析了熔鹽法滲硅層以及滲層缺陷的形成機(jī)理。結(jié)果表明,Si元素在滲層中均勻分布,滲層中富含Cr、Ni元素,滲層

4、/基體界面附近的滲層缺陷分為柯肯達(dá)爾孔隙帶和包鹽大空洞,孔洞狀缺陷呈帶狀分布。缺陷帶寬度約占滲層厚度的1/3,缺陷帶之外的滲層十分致密。
　　 從相圖來看,Fe3Si具有寬泛的Si含量。本文通過調(diào)整滲硅劑的比例以及加入SiO2助滲劑,獲得了Si元素的含量分別為13.21％、19.12％和22.03％(at％)的Fe3Si型過渡金屬硅化物滲層,并對(duì)SiO2助滲機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　 為了考察滲層對(duì)AISI304不銹鋼力學(xué)性

5、能的影響,對(duì)滲硅試樣進(jìn)行了軸向拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,硅化物滲層除了沿橫截面產(chǎn)生脆性斷裂外,同時(shí)還沿著柯肯達(dá)爾孔隙帶斷開,而滲層與基體在界面處結(jié)合良好,800℃滲硅試樣的軸向拉伸應(yīng)力.應(yīng)變曲線與AISI304不銹鋼相比,在彈性階段和強(qiáng)化階段沒有明顯的變化;900℃滲硅5h試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性階段初期近乎垂直于橫坐標(biāo),表示該階段拉伸試樣增加的荷載為硅化物滲層所承擔(dān)。由于滲層的柯肯達(dá)爾孔隙帶外側(cè)大空洞中的物質(zhì)在軸向拉伸實(shí)驗(yàn)后得以保

6、存,通過EDS分析,表明大空洞中的物質(zhì)成分為融鹽,這一結(jié)果印證了本文中提出的滲層缺陷形成機(jī)理。
　　 對(duì)滲硅試樣和AISI304不銹鋼在800℃和900℃進(jìn)行了100h循環(huán)氧化對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,滲硅試樣在兩種溫度下的氧化動(dòng)力學(xué)曲線均為二次拋物線。滲層在800℃下的抗氧化性能與略優(yōu)于AISI304不銹鋼;滲層在900℃下形成的氧化膜比800℃下形成的氧化膜更為致密,表現(xiàn)出比其在800℃下更為優(yōu)越的抗氧化性能,而AISI304不銹

7、鋼在900℃發(fā)生災(zāi)難性氧化失效。滲硅試樣在800℃循環(huán)氧化過程中,由于熱沖擊應(yīng)力的影響,滲層和不銹鋼基體之間形了較寬裂縫;在900℃循環(huán)氧化過程中,滲層與基體之間未產(chǎn)生裂縫,Si、Cr元素通過滲層/基體界面相互擴(kuò)散使界面結(jié)合強(qiáng)度得到了增強(qiáng)。由SiO2、Cr2O3、Cr3O4和Fe2O3組成的復(fù)合氧化膜是滲層具有優(yōu)異抗氧化性能的主要原因。
　　 以Fe2O3、Si、Al混合粉體為原料,在機(jī)械力誘發(fā)下發(fā)生了固相化學(xué)反應(yīng),球磨20h可