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金属间化合物增强铁基复合材料及其铝液腐蚀行为研究

发布时间:2020-07-11 14:47
【摘要】:在铝合金熔炼与铸造、热浸镀铝及铝合金零件制备过程中,坩埚、沉没辊以及压铸模等与铝液直接接触的零部件很容易因为铝液腐蚀而失效,造成铝液污染、制品质量下降、生产成本提高等问题。因此,开发新型耐铝液腐蚀材料,提高零部件的使用寿命,具有很重要的意义。本文以高锰高铝Fe-Mn-Al-Cr合金为基体,以三种典型的耐铝液腐蚀性能优异的金属间化合物(Fe,Mn)_3AlC_x、M_2B(M=Fe,Cr,Mn)、TiB_2为增强相,采用“机械合金化(Mechaical alloying,MA)+放电等离子烧结(Spark plasma sintering,SPS)”工艺制备出(Fe,Mn)_3AlC_x/Fe-Mn-Al-Cr、M_2B/Fe-20Mn-15Cr-8Al、TiB_2/Fe-20Mn-15Cr-8Al三种金属间化合物增强高锰高铝铁基复合材料。分析了复合材料的微观组织与力学性能,并进行了耐铝液腐蚀性能测试和腐蚀行为研究。主要研究结果如下:1、在SPS烧结温度1100°C和压力50 MPa条件下,制备的(Fe,Mn)_3AlC_x/Fe-Mn-Al-Cr、M_2B/Fe-20Mn-15Cr-8Al以及Ti B_2/Fe-20Mn-15Cr-8Al三种块体复合材料均具有超细晶组织,增强相均匀分布在基体中。其中(Fe,Mn)_3AlC_x/Fe-Mn-Al-Cr复合材料主要由γ-Fe(Cr,Mn,Al,C)、(Fe,Mn)_3AlC_x以及Cr_7C_3组成;M_2B/Fe-20Mn-15Cr-8Al复合材料由γ-Fe(Cr,Mn,Al,B),Fe_2AlCr,CrFeB和Mn_2B组成;TiB_2/Fe-20Mn-15Cr-8Al复合材料由Fe_2AlCr,Cr Fe B,Mn_2B和TiB_2组成。基体中高含量的Al、C、Mn以及MA和SPS的共同作用,是使得(Fe,Mn)_3AlC_x、Cr_7C_3、Fe_2AlCr、CrFe B以及Mn_2B等高强硬金属间化合物析出的关键因素。2、SPS制备的三种金属间化合物增强高锰高铝铁基复合材料均表现出高的室温硬度与压缩强度,这是固溶强化、晶界强化以及弥散强化共同作用的结果。在体积分数为15%~30%内,随着增强相M_2B和TiB_2体积分数的增加,M_2B/Fe-20Mn-15Cr-8Al和TiB_2/Fe-20Mn-15Cr-8Al两种复合材料的室温硬度与压缩强度都相应地提高,但室温塑性变形能力有所下降。其中30 vol.%TiB_2/Fe-20Mn-15Cr-8Al复合材料的硬度与压缩强度是所有复合材料中最高的,分别为767 HV和2835 MPa。而15 vol.%M_2B/Fe-20Mn-15Cr-8Al复合材料的室温塑性变形能力是最大的,断裂应变为23.9%。3、三种复合材料中,(Fe,Mn)_3AlC_x/Fe-Mn-Al-Cr复合材料具有最佳的耐铝液腐蚀性能,其750°C铝液中腐蚀8 h的平均腐蚀速率为H13钢的21%。除了奥氏体基体致密的晶体结构之外,增强相(Fe,Mn)_3AlC_x和Cr_7C_3不与铝液发生反应是其重要原因。4、30 vol.%M_2B/Fe-20Mn-15Cr-8Al复合材料在750°C铝液中腐蚀8 h的平均腐蚀速率为H13钢的32%。除了奥氏体基体致密的晶体结构能一定程度减缓铝液腐蚀之外,两种富Cr硼化物M_2B(CrFeB型和Mn_2B型)与铝液反应形成的腐蚀产物硼化物(Al-Fe-Cr-Mn-B)和铝化物(FeAl_3)呈两相交替排列的周期性片层结构,具有优良的耐铝液腐蚀性能,而且能起到“树根”效应阻碍腐蚀产物的剥落。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB33
【图文】:

液态铝,金属间化合物,铝液,舌状


图 1-1 800 °C 下固态铁与液态铝之间所观察到的金属间化合物[11](a) 800 °C×30 s (OM); (b) 800 °C×30 min (OM); (c) 800 °C×15 min (SEM)1-1 Intermetallic compounds observed between solid iron and liquid aluminium at T=800 °d (b) optical micrographs, respectively for t=30 s and t=30 min; (c) scanning electron micrshowing Fe2Al5and FeAl3formed after an immersion time equal to 15 minhuhai Chen 等[17]人以低碳钢和纯铝液为原材料更加系统深入地研究了C 温度下铁与铝液之间界面反应过程中金属间化合物生长与溶解的交互作,700~900 °C 之间,Fe2Al5呈舌状伸入铁基体中;随着铝液温度的升高面逐渐变得平整;当铝液温度上升至 935~945 °C 之间时,Fe2Al5/Fe 由舌扁平状;但是开始出现裂纹,如图 1-2 所示,这个温度正好对应着钢的奥Fe2Al5平均厚度与舌状宽度都随着温度的上升而有所增大。Fe2Al5舌状形间的变化而变化。Fe2Al5最大厚度由界面反应过程控制,而 Fe2Al5平均厚散过程控制。随着铝液温度的升高,伸向液体铝中的 FeAl3金属间化合物

界面结构,固体


图 1-2 固体 Fe 与 Al 液之间的界面结构[17]:(a) 700 °C 50 s; (b) 1000 °C 20 s-2 Microstructures of the interfacial structure between solid iron and liquid aluminu(a) 700 °C 50 s; (b) 1000 °C 20 s

界面结构,固体,温下,母体金属


母体金属的溶解可归因于较低温下 FeAl3的自然溶解和较高温下 F图 1-2 固体 Fe 与 Al 液之间的界面结构[17]:(a) 700 °C 50 s; (b) 1000 °C 20 s2 Microstructures of the interfacial structure between solid iron and liquid aluminu(a) 700 °C 50 s; (b) 1000 °C 20 s

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本文编号:2750547

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