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Fe_3Si基过渡金属硅化物渗层及纳米复合粉体的制备与表征

安亮

  金属间化合物由于具有金属键与共价键之混合键型,而呈现出金属性与陶瓷性两者兼有的独有特性。但是,其室温脆性大和高温强度低的弊端依然是困扰这类材料实用化的关键问题。Fe_3Si具有优异的软磁性能、良好的抗氧化和耐腐蚀性,其性能随Si含量不同而迥异。其中,含Si约6.5 wt%的Fe-Si合金与普通硅钢片(Si 3wt%)相比,具有铁损低、磁致伸缩接近于零,磁导率高,矫顽力低等特点;Si含量为25.2 at%的杜里龙(Duriron)合金甚至能够抵抗沸腾硫酸的侵蚀。向金属间化合物中引入塑性相虽然能在一定程度上增加塑韧性,但必然会牺牲其高温强度和抗氧化性能。本文将其制成表面覆层,避开了增韧金属间化合物面临的困难。另外,金属间化合物由于其特有的强度随温度升高先上升后下降的R效应,使得金属间化合物/陶瓷复合材料有望成为一种极具潜力的高温结构材料。本文利用反应合金化的方法,制备了Fe_3Si/Al_2O_3纳米复合粉体,反应产物具有洁净界面,并且避免了球磨过程中常见的引入氧化物杂质的问题。研究成果对解决Fe_3Si室温塑性低和高温强度差的问题具有一定的指导意义。 本文首先选择了低熔点的融盐渗硅体系,在800℃融盐中,制备了AISI 304表面Fe_3Si型过渡金属硅化物渗层。采用X射线衍射仪(XRD)分析了渗硅层的物相组成,用附带能量色散谱仪(EDS)附件的扫描电子显微镜(SEM)研究了渗层截面的形貌和成分,分析了熔盐法渗硅层以及渗层缺陷的形成机理。结果表明,Si元素在渗层中均匀分布,渗层中富含Cr、Ni元素,渗层/基体界面附近的渗层缺陷分为柯肯达尔孔隙带和包盐大空洞,孔洞状缺陷呈带状分布。缺陷带宽度约占渗层厚度的1/3,缺陷带之外的渗层十分致密。 从相图来看,Fe_3Si具有宽泛的Si含量。本文通过调整渗硅剂的比例以及加入SiO_2助渗剂,获得了Si元素的含量分别为13.21%、19.12%和22.03%(at%)的Fe_3Si型过渡金属硅化物渗层,并对SiO_2助渗机理进行了探讨。 为了考察渗层对AISI 304不锈钢力学性能的影响,对渗硅试样进行了轴向拉伸力学性能实验。结果表明,硅化物渗层除了沿横截面产生脆性断裂外,同时还沿着柯肯达尔孔隙带断开,而渗层与基体在界面处结合良好,800℃渗硅试样的轴向拉伸应力-应变曲线与AISI 304不锈钢相比,在弹性阶段和强化阶段没有明显的变化;900℃渗硅5h试样的应力-应变曲线在弹性阶段初期近乎垂直于横坐标,表示该阶段拉伸试样增加的荷载为硅化物渗层所承担。由于渗层的柯肯达尔孔隙带外侧大空洞中的物质在轴向拉伸实验后得以保存,通过EDS分析,表明大空洞中的物质成分为融盐,这一结果印证了本文中提出的渗层缺陷形成机理。 对渗硅试样和AISI 304不锈钢在800℃和900℃进行了100h循环氧化对比实验。结果表明,渗硅试样在两种温度下的氧化动力学曲线均为二次抛物线。渗层在800℃下的抗氧化性能与略优于AISI 304不锈钢;渗层在900℃下形成的氧化膜比800℃下形成的氧化膜更为致密,表现出比其在800℃下更为优越的抗氧化性能,而AISI 304不锈钢在900℃发生灾难性氧化失效。渗硅试样在800℃循环氧化过程中,由于热冲击应力的影响,渗层和不锈钢基体之间形了较宽裂缝;在900℃循环氧化过程中,渗层与基体之间未产生裂缝,Si、Cr元素通过渗层/基体界面相互扩散使界面结合强度得到了增强。由SiO_2、Cr2O3、Cr3O4和Fe_2O_3组成的复合氧化膜是渗层具有优异抗氧化性能的主要原因。 以Fe_2O_3、Si、Al混合粉体为原料,在机械力诱发下发生了固相化学反应,球磨20h可获得Fe_3Si /Al_2O_3复合粉体。球磨1h粉末的主要物相仍然为原料粉末,但Si粉与Fe_2O_3粉发生了反应,形成了部分SiO_2。对其在900℃退火1h,由加热而诱发反应,原始粉体的衍射峰消失,反应生成Al_2O_3、Fe_3Si和FeSi,反应中间产物SiO_2的衍射峰未消失。而Fe_3O_4、Si、Al混合粉体球磨1h即发生反应。TEM结果表明球磨20h的Fe_3Si/Al_2O_3复合粉体具有纳米晶结构。……   
[关键词]:Fe_3Si型硅化物渗层;AISI 304不锈钢;渗硅体系;循环氧化性能;Fe_3Si /Al_2O_3纳米复合粉体
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:兰州理工大学2011年