Fe-,3-Si基有序合金材料及其摩擦學(xué)與抗氧化性能研究.pdf

1、金屬硅化物Fe3Si基有序合金具有較高的熔點(diǎn)、良好的耐磨性和高溫抗氧化性，是一種潛在的高溫結(jié)構(gòu)材料。由于這種合金組成元素價(jià)格低廉，因此具有較好的工程應(yīng)用前景。但是，像大多數(shù)高溫有序金屬間化合物合金一樣，F(xiàn)e3Si硬而脆的性質(zhì)限制了它的實(shí)際應(yīng)用。因此，改善Fe3Si的脆性，同時(shí)研究其在各種條件下的摩擦學(xué)性能及其高溫氧化行為已成為高溫結(jié)構(gòu)用Fe3Si基合金材料最為重要的基礎(chǔ)性工作之一。 本研究采用機(jī)械合金化隨后退火處理(簡稱MAAP

2、或。M2AP技術(shù))、中頻感應(yīng)熱壓燒結(jié)和真空電弧熔煉等方法制備了Fe3Si、Fe3Si基合金和Fe3Si基復(fù)合材料，重點(diǎn)考察了M2AP技術(shù)制備的Fe3Si基合金粉末的有序度及真空熔煉制備的Fe3Si基塊體材料的組織結(jié)構(gòu)、摩擦學(xué)性能和高溫抗氧化性能，得到如下幾條具有較重要意義的結(jié)論： 首先，基于合金化改性原理，本論文研究了不同含量的合金元素Al對Fe3Si基有序合金機(jī)械合金化過程及其有序度的影響。結(jié)果表明，采用M2AP工藝可以制備出

3、高有序度的Fe3Si基有序合金粉體。其中，球磨10h和15h的Fe75Si25粉末在860℃退火1h的有序度分別達(dá)到94.63％和96.66％。Al元素的加入會顯著降低Fe3Si基有序合金的有序度。 其次，基于改善Fe3Si基有序合金力學(xué)及其摩擦學(xué)性能的考慮，采用電弧熔煉/熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了Fe3Si-Cu復(fù)合材料和Cr/Al復(fù)合合金化Fe3Si基有序合金材料，研究了其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，塑性相Cu的引入和Cr/A

4、l復(fù)合合金化均可以明顯提高Fe3Si基有序合金材料的室溫強(qiáng)度。透射電鏡分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3Si和Cu界面之間符合以下晶體學(xué)關(guān)系：Cu{220}//Fe3Si{004}；Cu<100>//FesSi<011>。 第三，研究了Fe3Si、Fe3Si-Cu復(fù)合材料和Cr/Al復(fù)合合金化Fe3Si基有序合金在水潤滑條件下的摩擦學(xué)性能，并與AISI304不銹鋼做了比較。研究發(fā)現(xiàn)，純Fe3Si有序合金的摩擦學(xué)性能與AISI304不銹鋼相當(dāng)，而F

5、e3Si-10wt％Cu復(fù)合材料和Fe70Si20CrsAl5有序合金在水潤滑環(huán)境下的摩擦學(xué)性能比純Fe3Si有序合金有明顯的提高。水潤滑條件下，純Fe3Si合金、Fe3Si-Cu復(fù)合材料和Cr/Al合金化Fe3Si基有序合金與Si3N4對摩時(shí)的磨損機(jī)理均表現(xiàn)為典型的磨粒磨損特征。同時(shí)，F(xiàn)e3Si-10 wt％Cu試驗(yàn)材料在與Si3N4對摩過程中，金屬Cu在磨損表面富集并向?qū)ε急砻孓D(zhuǎn)移。這種富集和轉(zhuǎn)移有效的抑制了Si3N4與水的摩擦化學(xué)

6、反應(yīng)。 另外，研究了Fe3Si與Si3N4配副時(shí)在空氣和氮?dú)庵胁煌瑴囟认碌哪Σ翆W(xué)性能及其磨損機(jī)理，并與W18Cr4V在相同條件下的摩擦學(xué)性能作了對比。研究發(fā)現(xiàn)，低于600℃時(shí)Fe3Si的磨損率隨溫度升高而升高；在空氣中800℃下，F(xiàn)e3Si的磨損率則大幅度降低，表現(xiàn)出明顯的所謂“反溫度現(xiàn)象”，這與Fe3Si磨損表面生成的致密的摩擦氧化膜有關(guān)。 最后，研究了Fe3Si及Cr/Al復(fù)合合金化Fe3Si基有序合金在800℃和9