B2相FeAl的电化学氢渗透行为研究

发布时间：2020-10-27 20:08

　　 含Al金属间化合物因其优异的抗氧化性、抗腐蚀性、抗硫化性、高比强度和高熔点等一系列优点,在航空航天、汽车工业和氚工程系统等领域具有广泛的应用前景。但其室温下氢脆问题导致极低的塑性使得FeAl难以加工成型,严重限制了其应用与发展。因此,本文从FeAl金属间化合物氢脆问题为出发点,着眼于室温下氢在FeAl合金中的渗透行为开展研究,采用电化学方法研究了粉末冶金法制备的B2相FeAl的渗氢行为,系统性获得了表面预处理、充氢电流对FeAl氢渗透的影响以及氢的渗透动力学行为。研究的结果为FeAl金属间化合物的氢脆及其机制研究奠定基础,对完善金属材料氢损伤理论也具有重要的意义。主要获得以下结论:(1)与电磁熔炼法制备的FeAl合金相比,粉末冶金法制备的B2相FeAl合金具有更致密的组织,呈现杂质较少,孔洞少且小的特点,且微观组织上出现偏析现象,偏析区中出现了类似于珠光体的黑白相间亚结构,原因在于高温高压环境使得A1有聚积的倾向,同时亚结构使得晶粒生长更大。(2)采用“化学镀-电镀”法对FeAl表面进行镀Pd预处理。过长或过短时间的化学镀会使得电镀镀膜不规则的生长,使得表面不平整,30min是较为理想的化学镀处理时间。电镀中过大的电流密度致使生长速度过快,Pd膜表面易出现孔洞与裂纹,而过小的电流密度则致使较慢的生长速度,致使膜表面疏松且覆盖率不高,在电流密度为5mA/cm2可获得了表面平整,致密无孔洞的Pd膜。(3)采用电化学方法获得了室温下FeAl合金的氢渗透行为。在293±2K下,氢在B2相FeAl中的氢渗透通量,氢扩散系数与氢溶解度伴随着充氢电流的增加而增大。在0.318A/cm2的电流密度下,氢在B2相FeAl中的有效扩散系数和溶解度分别是1.610×10-6cm2/s和9.898×10-6mol/cm3,与文献报道结果一致。(4)基于I-P-Z动力学模型获得了 FeAl中氢渗透动力学行为。氢在FeAl表面吸附反应速率常数为7.939×10-10 mol·cm-3·s-1,脱附反应速率常数为3.043×10-7mol·cm-3·s-1。脱附反应速率常数远大于吸附反应速率常数,这表明氢在B2相FeAl表面吸附渗入的过程是缓慢的,充氢端表面的H多数结合为H2逸出,极少数的H才能渗入FeAl中。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TF125
【部分图文】：

，??在保持金属基本特性的同时，也形成了与一般金属不同的独特性质。在合金体系中，一??定范围内组成可变的特点使得金属间化合物的原子键合方式和晶体结构呈现多样化，导??致了金属间化合物许多独特的物理性质以及化学性质。这些性质已日益受到人们的关注，??不少金属间化合物已作为新的功能材料正在被广泛的开发及应用。例如具有超导性质的??Ｎｂ３Ｇｅ与Ｎｂ３Ａｌ，被广泛应用的半导体材料ＧａＡｓ与ＩｎＴｅ，形状记忆特性、超弹性和消??振性的ＴｉＮｉ，?ＣｕＺｎ，ＣｕＳｉ以及具有优异永磁性能的Ｃｅ，Ｌａ，?Ｓｍ等稀有元素与Ｃｏ的化??合物［１］。??其中，Ｔｉ－Ａｌ，Ｃｏ－Ａｌ，Ｎｉ－Ａｌ，?Ｆｅ－Ａｌ等含Ａ１的金属间化合物具有高熔点，低密度??的优点（图１．１中与ＣＭＳＸ－４镍基合金比较，ＣＭＳＸ－４镍基合金的熔点约为］４５０°Ｃ，??密度约为８．７ｇ／ｃｍ３，延伸率约为３％）?［２＿５］，在材料，能源以及化工领域有着广泛的应??用。Ｔｉ－Ａｌ常因其超高的比强度被用作飞机的骨架与航空发动机壳体，Ｃｏ－Ａｌ强铁磁性??的特点常被用作磁感应部件，Ｎｉ－Ａｌ的耐腐蚀的特性非常适用于熔盐结构设备和油液阀??门等腐蚀环境。而Ｆｅ－Ａｌ除了有较高的熔点，较高的比强度和优异的抗氧化、抗硫化??等共有的特性之外，还具有低成本，低密度和顺磁性等独特的性质，使得Ｆｅ－Ａｌ在航??空航天，化工，机械，能源等领域有着广泛的应用前景，例如熔炉装置和热交换管道??等高温材料，内燃机的结构材料以及硫化设施的内壁材料［６＿８］。??

Ｂ２相ＦｅＡｌ的电化学氢渗透行为研究被还原为氢原子（Ｈ）并附着在ＦｅＡｌ的表面。表面上的Ｈ?—部Ｈ２，脱离ＦｅＡｌ的表面逸散到空中；而另一部分Ｈ从ＦｅＡｌ的表面渗附着态（Ｈａｄｓ）转变渗入态（Ｈａｂｓ），这一过程就宏观表现在氢的氢在ＦｅＡｌ体相中的扩散对于ＦｅＡｌ的氢脆问题有着重要的意义。透行为领域还存在一些问题，首先是氢在ＦｅＡｌ中扩散系数的数数不同影响因素的研宄也很匮乏；其次是测量的不准确性，不同比差距较大，不同的研究人员测出的扩散系数也是不同的，样品最后氢在ＦｅＡ丨内部扩散机制的研究仍不全面，暂时没有一套成扩散行为。??

焦于Ｆｅ３Ａｌ、ＦｅＡｌ两种金属间化合物。??Ｆｅ－Ａｌ二元体系第一个被人们所熟知的相图是在１９８２年测定并绘制出的这张相??图（图１．５）清晰的标明了六种金属间化合物的组成比例范围。在相图的低温区域（低于??６００°Ｃ）随着Ａ１含量的升高可划分为三个区域，Ａ１含量从０％到１８．５％是铁磁性的ａＦｅ；??低于５４５°Ｃ且ＡＩ含量在２５％左右生成的是Ｆｅ３Ａｌ，即００３相；到更高的Ａ１含量就是??ＦｅＡｌ，即Ｂ２相。Ｂ２相的ＦｅＡｌ相较与Ｄ〇４＿＜ｊＦｅ３Ａｌ有着更高的铝含量，这一点的差??别是两相性能差别的主要原因之…。??１６００?－?＇一―?＿?？?．?，?ｎ??如卞—??Ｌｉｑｕｉｄ??１４００?ｒｘ?．?ｉ?ｉ?ｉｉ??Ｐ?１２００?＼?（ａＦｅｒ?Ｉ??Ｓ?ｆ?Ｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ?／?）＿??ｒ七?／??艺?８００－?／?ＦｅＡ，?？?：：：：：：?＼??＾?／?：?：！?：：：：??６００?—?＜?Ｐｅｒ?：?：：?：：Ｍ?＊ＵＣ?（Ａｔ）－??＜ｕＦｅ＞?？?＞ｉ?＞ｉ?ｕ??＇Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ／?；?＼＾?＼?＇?？?］?？?？??４００?（?／?：?ｉｉ?：；ｉ??０?１０?２０?３０?４０?５０?６０?７０?８０?９０?１００??Ｆｅ?ａｔ．％?Ａｌ?Ａｌ??图１．５?Ｆｅ－Ａｌ二元金属间化合物相图（虚线为尚未确定的边界）＾??１．２．１?ＦｅＡｌ的晶体结构??Ｆｅ－Ａｌ二元相图中不同的相有着不同的结构。从结构的角度来说，Ｂ２相与Ｄ〇３相都??是体心立方的结构
【参考文献】

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本文编号：2858995