第13卷第4期 汤文明,等:FA金属间化合物基复合材料的研究进展 难以保证增强相在金属间化合物基体中均匀分属间化合物甚至增强相与金属间化合物均以元素粉 布3 末的形式加入,金属元素粉末向金属间化合物的合 近年来,机械合金化技术( Mechanical allov ing,成转变释放大量的热。反应释放的热量甚至会在金 MA)迅速发展,已广泛地用于制造、合成非平衡合属间化合物中形成过渡液相,从而加速致密化过 金、金属间化合物、氧化物弥散强化金属基复合材程。因此,反应固化工艺的完全致密化过程可在比 料等新型材料。机械合金化法制备颗粒增强金属普通烧结温度低的温度下进行,而且还具有增强相 间化合物基复合材料的工艺流程如图4所示。Mor的含量、形状等不受限制的优点。由于金属间化合 r等采用该技术制备A上O、TiB2颗粒增强FeAl物基体是在复合材料的固化过程中形成的,因此增 金属间化合物基复合材料。 Vedula等采用机械合强相颗粒更可能存在于金属间化合物基体晶粒内 金化+热挤压的方法制造含1%YO3(体积分数)的部,而不是分布于金属间化合物基体晶粒边界。张 Fe40AI金属间化合物基复合材料。挤压后的复合汉林等采用反应球磨工艺将金属间化合物的元 材料晶粒尺寸为4~6μ,大大小于相同工艺条件素粉与AlO3粉一同加入,在球磨过程中获得增强 下制造的不含增强相的Fc40A合金晶粒度(19-25相分布均匀的复合材料。 Kakitsu等4采用反应热 ψm)a高温压缩蠕变及拉伸实验表明该复合材料即等静压的方法,以T;,A,BN,TiAN,TB2粉末为 使在827℃时也表现明显的晶界强化效果。原料制备(TiB2+Ti2AN)颗粒增强TiA基复合材料 Schneibel等采用机械合金化+热等静压的方法Buhn等采用反应烧结法制造AM、O3颗粒增强 制造Y2O3颗粒增强Fe404基复合材料,并测定了FeA,NiAl基复合材料,其中FeA基复合材料的四 温度为927℃、真应变速率为4×108-1×104点弯曲强度为700 MPa. nial基复合材料的强度为 s-时该复合材料的蠕变强度。含2%YxO颗粒的500MPa。mme等采用反应热压工艺制造了 FeA基复合材料的蠕变强度为基体的4倍,应力指AkO,si,Ti,TiB2颗粒增强Fe404l基复合材 数高达25,弥散强化效果突出(图5)。 Mukherjee料。尽管SC与FeAl有很强的反应性,但SC颗粒 等吲采用机械合金化+热等静压的方法制备了增强Fe40A基复合材料的强化效果最大,主要原 FeA金属间化合物及Alo:颗粒增强FeAl基复合因是SC分解产生的Si固溶于合金基体中起到固溶 材料,研究了它们的界面特性,并采用超微压痕技强化的效果。值得注意的是,在Fe40A金属间化 术比较了这2种材料的力学性能。FeA基复合材合物复合强化的同时,也造成了FeA基体断裂韧 料的硬度比高强钢高50%,而弹性模量相当。AbO3性的降低,几种复合材料断裂韧性的降低呈现如下 颗粒择优占据Fe3Al晶粒间界,使其晶界硬度达到 的秩序:SiCA2O3,TC,T迅2。SiC颗粒增强Fe 9GPa。除此之外,机械合金化技术还是合成纳米金 属间化合物及纳米金属间化合物基复合材料最重要 40A1基复合材料的断裂韧性远低于其他几种复合 的方法之一,这将在下一节中进行介绍 材料(图6,7 反应固化工艺,主要包括反应热压、反应热等 Schicker等4采用AO3粉、Al粉、Fe粉为原 静压、自蔓延高温合成等,也是制造金属间化合物料,通过高能球磨合成A1O3颗粒增强FeA金属 基复合材料的常用方法。在该工艺过程中,金间化合物基复合材料。该复合材料也可以采用如 下的方法制备:在原料中用Fe2O3粉替代Al2O3 Hot-forging Metal powders Hot-extruding comp Hot-rolling inal or sample Hot isostatic pressing 图4机械合金化法制备颗粒增强金属间化合物基复合材料的工艺流程 Fig 4 Technological process for fabricating particulate reinforced intermetallic matrix composites by mech anical alloy ing technique C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net难以保证增强相在金属间化合物基体中均匀分 布[ 35] 。 近年来, 机械合金化技术( Mechanical alloying, MA) 迅速发展, 已广泛地用于制造、合成非平衡合 金、金属间化合物、氧化物弥散强化金属基复合材 料等新型材料[ 8] 。机械合金化法制备颗粒增强金属 间化合物基复合材料的工艺流程如图 4 所示。Mor￾ris 等 [ 36] 采用该技术制备 Al2O3, TiB2 颗粒增强 FeAl 金属间化合物基复合材料。Vedula 等 [ 37] 采用机械合 金化+ 热挤压的方法制造含 1%Y2O3( 体积分数) 的 Fe-40Al 金属间化合物基复合材料。挤压后的复合 材料晶粒尺寸为 4~ 6
m, 大大小于相同工艺条件 下制造的不含增强相的Fe-40Al合金晶粒度( 19~ 25
m) 。高温压缩蠕变及拉伸实验表明该复合材料即 使在 827
时 也表 现 明 显 的晶 界 强 化 效果。 Schneibel 等 [ 38] 采用机械合金化+ 热等静压的方法 制造Y2O3 颗粒增强Fe-40Al 基复合材料, 并测定了 温度为 927
、真应变速率为 4
10 - 8 ~ 1
10 - 4 s - 1时该复合材料的蠕变强度。含 2% Y2O3 颗粒的 FeAl 基复合材料的蠕变强度为基体的 4 倍, 应力指 数高达 25, 弥散强化效果突出( 图 5) 。Mukherjee 等[ 16] 采用机械合金化+ 热等静压的方法制备了 Fe3Al 金属间化合物及Al2O3 颗粒增强 Fe3Al 基复合 材料, 研究了它们的界面特性, 并采用超微压痕技 术比较了这 2 种材料的力学性能。Fe3Al 基复合材 料的硬度比高强钢高50% , 而弹性模量相当。Al2O3 颗粒择优占据 Fe3Al 晶粒间界, 使其晶界硬度达到 9 GPa。除此之外, 机械合金化技术还是合成纳米金 属间化合物及纳米金属间化合物基复合材料最重要 的方法之一, 这将在下一节中进行介绍。 反应固化工艺, 主要包括反应热压、反应热等 静压、自蔓延高温合成等, 也是制造金属间化合物 基复合材料的常用方法[ 39, 40] 。在该工艺过程中, 金 属间化合物甚至增强相与金属间化合物均以元素粉 末的形式加入, 金属元素粉末向金属间化合物的合 成转变释放大量的热。反应释放的热量甚至会在金 属间化合物中形成过渡液相, 从而加速致密化过 程。因此, 反应固化工艺的完全致密化过程可在比 普通烧结温度低的温度下进行, 而且还具有增强相 的含量、形状等不受限制的优点。由于金属间化合 物基体是在复合材料的固化过程中形成的, 因此增 强相颗粒更可能存在于金属间化合物基体晶粒内 部, 而不是分布于金属间化合物基体晶粒边界。张 汉林等[ 41] 采用反应球磨工艺将金属间化合物的元 素粉与Al2O3 粉一同加入, 在球磨过程中获得增强 相分布均匀的复合材料。Kakitsuji 等[ 42] 采用反应热 等静压的方法, 以Ti, Al, BN, Ti2AlN, TiB2 粉末为 原料制备(TiB2+ Ti2AlN) 颗粒增强TiAl 基复合材料。 Bruhn 等[ 32] 采用反应烧结法制造 Al2O3 颗粒增强 FeAl, NiAl 基复合材料, 其中 FeAl 基复合材料的四 点弯曲强度为 700 MPa, NiAl 基复合材料的强度为 500 MPa。Inone 等[ 15] 采用反应热 压工艺制造了 Al2O3, SiC, TiC, TiB2 颗粒增强 Fe-40Al 基复合材 料。尽管 SiC 与 FeAl 有很强的反应性, 但 SiC 颗粒 增强 Fe-40Al 基复合材料的强化效果最大, 主要原 因是SiC 分解产生的Si 固溶于合金基体中起到固溶 强化的效果。值得注意的是, 在 Fe-40Al 金属间化 合物复合强化的同时, 也造成了 FeAl 基体断裂韧 性的降低, 几种复合材料断裂韧性的降低呈现如下 的秩序: SiC, Al2O3, TiC, TiB2。SiC 颗粒增强 Fe- 40Al 基复合材料的断裂韧性远低于其他几种复合 材料( 图 6, 7) 。 Schicker 等[ 43] 采用 Al2O3 粉、Al 粉、Fe 粉为原 料, 通过高能球磨合成 Al2O3 颗粒增强 Fe-Al 金属 间化合物基复合材料。该复合材料也可以采用如 下 的 方法 制备: 在 原料 中用 Fe2O3 粉替 代Al2O3 图 4 机械合金化法制备颗粒增强金属间化合物基复合材料的工艺流程 Fig. 4 Technological process for fabricating particulate reinforced intermetallic matrix composites by mechanical alloying technique 第13 卷第4 期 汤文明, 等: Fe-Al 金属间化合物基复合材料的研究进展
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