Ni-Cr-Fe泡沫合金固相浸滲制備及高溫氧化行為研究.pdf

1、本文以航空航天結(jié)構(gòu)材料為研究背景,以3D開(kāi)孔泡沫Ni為基體,采用固體粉末包埋高溫固相擴(kuò)散工藝,制備出一種開(kāi)孔率高達(dá)90％以上的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的Ni-Cr-Fe泡沫合金。同時(shí),為了進(jìn)一步提高Ni-Cr-Fe泡沫合金的抗氧化性能,采用兩步固體粉末包埋法在Ni-Cr-Fe泡沫合金表面上制備Al/Cr(Ce)雙層涂層。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜儀(EDS)、電子拉伸試驗(yàn)機(jī)和顯微硬度計(jì)等分析測(cè)試手段,分別對(duì)Ni-Cr

2、-Fe泡沫合金及Al/Cr(Ce)涂層泡沫合金的微觀組織結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,并探討了Ni-Cr-Fe泡沫合金及涂層泡沫合金的高溫氧化動(dòng)力學(xué)及氧化機(jī)理。
　　利用固體粉末包埋法對(duì)開(kāi)孔泡沫Ni表面進(jìn)行Cr、Fe共滲處理,研究了Cr-Fe共滲層的顯微組織、相組成及成分分布。結(jié)果表明:Cr-Fe滲層的致密化程度以及滲層與基體的結(jié)合強(qiáng)度受到不同共滲溫度的影響。隨著共滲溫度增加,滲層與基體的結(jié)合強(qiáng)度增加,但是,共滲層表面顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重。

3、共滲溫度在1050℃時(shí),Cr-Fe滲層表面均勻、致密且滲層與基體之間結(jié)合緊密。并且,1050℃時(shí),隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng),共滲層中外層和擴(kuò)散層增厚曲線都近似遵循一次函數(shù)規(guī)律。
　　以Ni-Cr-Fe三元相圖模型為理論依據(jù),效仿Inconel690高溫合金的成分組成,實(shí)驗(yàn)確定了1200℃時(shí)進(jìn)行泡沫Ni-Cr-Fe高溫固相擴(kuò)散合金化可以獲得組織穩(wěn)定,抗氧化性和抗熱疲勞性較好的單一奧氏體γ相。同時(shí),在高溫?cái)U(kuò)散過(guò)程中,隨著均勻化時(shí)間的延長(zhǎng),網(wǎng)絲

4、骨架中Cr、Fe、Ni元素濃度梯度明顯平緩,1200℃/48h均勻化熱處理后,網(wǎng)絲骨架中Cr、Fe、Ni三種元素發(fā)生了充分的互擴(kuò)散,達(dá)到合金成分均勻化,表面層主要由γ-(Fe,Ni)和γ-(Ni,Cr,Fe)固溶體組成。并且,Ni-Cr-Fe泡沫合金保持著初始泡沫Ni基體的三維網(wǎng)狀及骨架中空結(jié)構(gòu)。
　　對(duì)Ni-Cr-Fe泡沫合金常溫及高溫力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,揭示了不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金組織與性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明:N

5、i-Cr-Fe泡沫合金的常溫及高溫準(zhǔn)靜態(tài)壓縮曲線呈現(xiàn)出典型韌性泡沫金屬形變特征。高溫?cái)U(kuò)散均勻化工藝有效提高Ni-Cr-Fe泡沫合金的壓縮強(qiáng)度,也使得塑性屈服平臺(tái)段的長(zhǎng)度明顯增加。同時(shí),隨著泡沫合金中Cr、Fe元素含量的增加,Ni-Cr-Fe泡沫合金材料的屈服強(qiáng)度和單位體積吸能量增大。與Gibson-Ashby經(jīng)驗(yàn)公式相比,均勻化后Ni-Cr-Fe泡沫合金的屈服強(qiáng)度和比強(qiáng)度比理想泡沫Ni明顯提高,這主要是Cr、Fe元素起到較好的固溶強(qiáng)化作

6、用。尤其,Ni-36Cr-24Fe泡沫合金表觀出最高的屈服強(qiáng)度和單位體積吸能。
　　對(duì)Ni-Cr-Fe泡沫合金在800-1000℃條件下的抗高溫氧化性能進(jìn)行了研究,揭示了開(kāi)孔Ni-Cr-Fe泡沫合金高溫氧化動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)及氧化機(jī)理。結(jié)果表明:Ni-Cr-Fe泡沫合金具有比泡沫Ni基體和Ni-25Cr泡沫合金更高的抗高溫氧化性能,其氧化曲線符合拋物線規(guī)律。隨著泡沫合金中Cr、Fe元素含量的增加,Ni-Cr-Fe泡沫合金抗氧化性能增加

7、。同時(shí),隨著氧化溫度從800℃升高至1000℃,Ni-Cr-Fe泡沫合金的氧化層由Cr2O3、NiFe2O4和NiCr2O4的混合氧化物轉(zhuǎn)變成致密的單一Cr2O3層,有效增強(qiáng)Ni-Cr-Fe泡沫合金的抗氧化性能。
　　通過(guò)兩步固體粉末包埋法在Ni-Cr-Fe泡沫合金表面制備Al/Cr(Ce)雙層涂層,揭示了Al/Cr(Ce)雙層涂層對(duì)Ni-Cr-Fe泡沫合金高溫氧化性能及力學(xué)性能的影響,給出了Al/Cr(Ce)涂層泡沫合金氧化機(jī)理

8、以及氧化后變形行為。結(jié)果表明:Al/Cr(Ce)雙層涂層結(jié)構(gòu)連續(xù)、致密,大量的Ce原子富集在外層,有效阻礙了Al原子的向內(nèi)擴(kuò)散以及基體合金原子沿晶界向外擴(kuò)散。氧化后,Al/Cr(Ce)涂層泡沫合金的氧化動(dòng)力學(xué)曲線遵循拋物線規(guī)律,Al/Cr(Ce)涂層表面容易形成致密的Al2O3層,并且,少量的Ce有效提高氧化層與基體的附著力。同時(shí),與Ce–Cr涂層和Al/Cr涂層相比,氧化后Al/Cr(Ce)涂層泡沫合金的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮曲線表現(xiàn)出相對(duì)較高的