Fe-Al金属间化合物的第一性原理研究综述

Fe-Al金属间化合物具有密度低、比强度高、抗高温氧化和耐腐蚀性良好等优点,且成本低廉,成为镍基高温合金潜在的替代结构材料。综述了利用第一性原理计算研究元素掺杂/微合金化对Fe-Al金属间化合物及涂层的室温脆性、高温强度、界面结合、抗高温氧化及耐腐蚀性能影响的研究进展,设计了第一性原理研究B2型Fe-Al合金耐氯化盐腐蚀机理的理论计算方案,展望了第一性原理计算应用于Fe-Al合金及涂层材料研究的发展方向。

反向处理铜箔微纳组织形成机理及其对力学性能的作用机制

目的第五代移动通信技术(5G)时代,高频高速信号传输过程中由于“趋肤效应”引起的信号损耗甚至“失真”越来越严重,为了解决这一问题,提出了一种反向处理铜箔的新技术,然而国内当前应用的高性能反向处理铜箔(RTF)主要依赖进口,要想在短时间内缩小国内外铜箔性能和生产效率的差距,最终实现这类高端铜箔的国产化,必须在明确该类铜箔微纳结构形成机理及其对性能影响的前提下,加快制备工艺的开发和优化。方法采用电镀法在阴极钛辊上沉积了电解生箔,在其光面进行粗化和镀Zn层等后续处理获得反向处理铜箔,同时以国外反向处理铜箔为参照,采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜详细分析其微纳组织与结构,采用激光共聚焦显微镜和万能试验机测量其粗糙度和拉伸性能。结果本工作中的RTF具有与国外商业产品相似的微观结构,由小的等轴晶和较大的柱状晶组成,且包含较多的纳米孪晶,孪晶界占比为30.8%,平均宽度为7.9 nm。S面是均匀的米粒状铜颗粒,而M面是较大的圆锥形铜颗粒。S面上的Zn层均匀致密,厚度约为6.5 nm,只有小部分Zn扩散到基底上形成CuZn3相。但从S面到M面,优选取向从(111)Cu逐渐变为(220)Cu,这与参比RTF略有不同。性能方面,参比RTF的Ra和Rz分别为1.22、1.42μm,抗拉强度为335.10 MPa,伸长率为15.5%,本工作中的RTF具有较低的粗糙度,Ra和Rz分别为0.68、1.03μm,其强度也具有明显优势(393.68 MPa),但延展性低于参比样品。通过对比分析,总结了铜箔在初始外延、过渡生长和电沉积条件控制的生长阶段3个阶段的生长特性,给出了影响每个阶段晶粒生长的主要因素,并且详细讨论了晶粒尺寸和纳米孪晶宽度对铜箔拉伸性能的影响。结论对RTF微观结构和性能的深入研究,有助于找到高性能铜箔国产化“瓶颈”的根源,为高性能铜箔在5G通信领域的进一步发展和应用奠定基础。

铝热法制备高钒铝合金的研究

用V2O5粉和Al粉为原料,通过铝热还原法制备了高钒铝合金,研究了反应物配比中Al含量对制备的高钒铝合金纯度和钒回收率的影响。结果表明:当反应物配比中Al欠量5%时,高钒铝合金的纯度最高为98.45%;随着反应物配比中Al含量的增加,高钒铝合金的纯度降低,钒的回收率增加,在Al过量15%时回收率最高为92.4%(质量分数)。高钒铝合金的布氏硬度在Al欠量5%时最低,为213.6 HB;在Al过量15%时布氏硬度最大,为250 HB。可以通过调节原料中Al含量来制备不同纯度的高钒铝合金。

固溶和时效处理对铝热法制备Cu-Ti合金组织和性能的影响

Cu-Ti合金作为导电弹簧,互联接插件等重要元器件的制备材料,其大规模工业制备方法和热处理工艺仍是当前铜合金领域亟需开发和推进的重点。采用具有工艺简单、环保节能、成本低廉等优点的铝热法制备了Ti含量分别为1%、4.5%、10%,即成分区间较大的Cu-Ti合金,且进一步采用固溶和时效处理调控合金的综合性能。结果表明,时效态的Cu-1%Ti和Cu-4.5%Ti合金中Ti元素主要呈固溶状态,只有非常少量尺寸较小的析出相,而Cu-10%Ti合金中存在大量尺寸较大的Cu 4 Ti相析出。随着Ti含量的增加,合金的导电率有明显降低的趋势,而硬度和强度则呈现与之相反的趋势。对于成分相同的合金,相较于固溶状态,时效后导电率先略微下降然后上升,450°C时效4 h后,三个成分合金的导电率均高于固溶态合金;450°C时效2 h后,Cu-1%Ti和Cu-4.5%Ti合金均获得了硬度、强度和延伸率的最大值,Cu-10%Ti合金的硬度和延伸率也获得了极大值,其屈服强度和抗拉强度则是随着时效时间呈略微下降的趋势。

不同Al含量的310S耐热钢热轧加工后的组织和力学性能

通过压力机和热轧机对WS-4非自耗真空电弧炉熔炼制备的Al质量分数为0、2%、4%、6%的310S耐热钢进行开坯轧制,用光学金相显微镜观察金相组织,用EPMA-1600电子探针分析组织中各元素分布,结合EPMA能谱分析确定合金中的相组成,并测定室温拉伸性能.结果表明:随着Al含量的增加,钢中碳化物的数量明显减少,且形态逐渐由团聚状向颗粒状转变;部分Al元素以Al4C3相的形式出现富集,且Al元素含量越高富集现象越严重;合金的屈服强度略有降低,Al质量分数为2%的合金具有最高的抗拉强度及延伸率.各成分合金的综合力学性能明显高于国家标准对热轧310S板材的要求.

合成原料中Mg配比对燃烧合成制备的ZrB_2粉体粒度与纯度的影响研究

利用燃烧合成法制备了ZrB2粉体,研究了不同Mg含量对燃烧合成制备的ZrB2粉体粒度和纯度的影响。结果表明,Mg过量5%合成的ZrB2粒径最小,纯度最高。Mg含量对ZrB2粉体粒度的影响机理为:Mg过量一定程度,会降低反应绝热温度,使产物处于高温状态的时间缩短,减小颗粒长大趋势而使得颗粒尺寸变小;当Mg含量进一步提高,其与ZrO2反应加强,生成更多的中间产物Zr,使得直接合成ZrB2的反应加强而促进颗粒生长。Mg含量对ZrB2粉体纯度的影响机理为:Mg过量一定程度,弥补了燃烧合成过程中的挥发损失,提高了还原转化率,使粉体纯度提高;当Mg含量进一步提高时,其挥发消耗更多反应热,使得燃烧温度降低,反应为固态反应,转化率降低而残余更多ZrO2;过多的MgO和剩余的B2O3反应生成酸不溶杂质,使粉末纯度降低。

稀释剂添加量对燃烧合成亚微米ZrB_2微观组织的影响

以NaCl为稀释剂,B2O3、ZrO2和Mg粉为原料,利用燃烧合成法成功制备了亚微米ZrB2粉体,并对其进行了SEM、EDS,XRD和粒度分析。结果表明:随着稀释剂添加量增加,体系绝热温度下降;浸出产物是由少量的大尺寸颗粒和大量的小尺寸颗粒形成的弱团聚体;稀释剂摩尔数k值从0.5增加到1.5时,产物平均颗粒尺寸从305 nm降低到160 nm;产物浸出后主要物相为ZrB2和ZrO2,后者含量随稀释剂添加量增加而降低。稀释剂可以提供液态介质,促进质量传输,提高产物纯度,还可以降低体系燃烧温度,并包覆在产物表面抑制其结晶长大,降低颗粒尺寸。

底材厚度对铝热反应熔化制备的块体纳米晶Fe_3Al材料的组织和性能的影响

通过铝热反应熔化方法在厚度为5～15mm的铜底材上制备块体纳米晶Fe3Al材料．通过X射线衍射（XRD）研究材料的晶粒尺寸，研究材料室温压缩下的力学性能和硬度．结果表明，所制备材料的晶粒尺寸均约为20nm，且晶粒尺寸随底材厚度的增加而增加．底材厚度为5mm时纳米晶Fe3Al材料的屈服强度和硬度具有最大值，随着底材厚度的增加，屈服强度和硬度急剧减小，最后趋于稳定．5mm时纳米晶Fe3Al材料的屈服强度约是10mm时的1．5倍．

固溶处理对高铝310S钢组织和性能的影响

对铝含量为2%和4%(质量分数)的热轧态310S耐热钢进行不同条件下的固溶处理,用光学显微镜观察了显微组织,用EPMA-1600电子探针分析了组织中各元素分布,并进行了室温拉伸性能测试。结果表明,高铝310S耐热钢在1150℃固溶处理时,随着时间延长晶粒尺寸明显增大,Cr7C3颗粒和Al4C3颗粒含量均大幅度减少,残余的Cr7C3颗粒逐渐聚集长大,并和Al4C3颗粒一起沿晶界呈链条状析出;经1200℃×2 h固溶处理,Cr7C3颗粒完全消失,而Al4C3相少量残余。高铝310S耐热钢合理的固溶处理工艺为:1200℃保温2 h,然后水淬处理,经此工艺处理的试样抗拉强度和屈服强度均高于传统工艺(1150℃×30 min)。

316L不锈钢中添加Al后的抗腐蚀性能

合金中添加Al可提高其抗腐蚀性能。在316L不锈钢中添加不同含量的Al,研究了合成的合金在5%H2SO4中的均匀腐蚀速率和在65%浓HNO3中的晶间腐蚀速率。结果表明:合金均匀腐蚀速率和晶间腐蚀速率均随着Al含量增加先减小后增大;添加2.00%,4.00%Al的合金的均匀腐蚀速率和晶间腐蚀速率较低;添加了Al的合金的晶间腐蚀速率低于未加Al的合金。

高铝304不锈钢热轧态的显微组织和力学性能

轧制了不同Al含量(0、2%、4%)的304不锈钢,利用OM、XRD、EPMA研究其轧制态显微组织,并对其力学性能及耐腐蚀性进行研究。结果表明:随Al含量的增加,合金基体由单一的γ相转变为α+γ双相组织,Al元素分别以固溶和Al4C3沉淀相的形式分布在基体上,随Al含量增加,析出的Al4C3相增多。合金的强度随着Al含量的增加,先降低后增加,而伸长率逐渐降低。利用SEM分析合金的断口形貌表明,其断裂形式均为韧性断裂。合金腐蚀速率随着Al含量增加明显降低,含4 mass%Al304比304耐晶间腐蚀性能提高一倍以上。Al4C3相的析出减少了贫铬区及合金表面形成更为稳定的Al2O3钝化膜是其耐蚀性提高的主要因素。

高体积分数粒子型铝基复合材料热膨胀性能的研究

测定了真空气压渗流法制备的三种高体积分数ＳｉＣＰ／Ａｌ复合材料在０～４００℃间的热循环曲线及其在此温度区间的线膨胀系数值。测试结果表明复合材料的线膨胀系数值约为其基体的一半，其值与Ｋｅｒｎｅｒ模型的计算值相接近；复合材料的热循环曲线的特征明显不同于其基体，三种基体复合材料的热循环曲线的特征也存在差异。对此应用塑性变形理论进行了解释。

Al元素对310S耐热钢高温压缩性能的影响

通过WS-4非自耗电弧炉熔炼制备Al质量分数2%～10%的耐热不锈钢310S,用Mef3光学金相显微镜和XRD研究其显微组织,采用Thermechastor-W热/力模拟试验机对所制备合金的高温压缩性能进行研究.结果表明,随着Al含量的增加,碳化物由网状转变为细小颗粒组成的不连续网状,最终转变为颗粒状,基体在含Al质量分数大于6%时由γ相转变为α相.不同Al含量的合金流变应力范围基本一致,合金的高温屈服强度由未添加Al元素时的74 MPa先降低至61 MPa后开始升高,在Al质量分数为6%时达到最大值86 MPa,之后高温屈服强度逐渐降低,加Al后合金热加工性能并未显著改善.

Al对HP40合金显微组织的影响

试验中用中频无芯感应炉熔炼、树脂砂型制备出HP40、加Al5%～10%降Ni5%～10%的合金试样,用Mef3光学金相显微镜观察金相组织,用EPMA-1600电子探针分析组织中各元素的分布,结合D8ADVANCE型X射线衍射确定合金中的相组成。结果表明,随铝含量增加,合金基体从γ相转变为α相;析出相除碳化物外,还生成了FeNiAl金属间化合物强化相,并随铝含量的增多进一步增多、长大,形状由片条状逐步转变成羽毛状。

Al对HP40合金高温力学性能的影响

通过中频感应炉熔炼制备出铝质量分数分别为5%、7.5%、10%的HP40合金,在900℃下测试各合金的高温拉伸性能,并在扫描电镜下观察各合金的断口形貌.结果表明:随着Al质量分数的增加,合金的高温屈服强度、抗拉强度均先升高后降低,合金的延伸率先降低后增加.铝质量分数为5%的HP40合金具有最佳的高温力学性能,其900℃下的屈服强度为125MPa,抗拉强度为132MPa,延伸率为12%.

铝对1Cr18Ni9不锈钢组织和性能的影响

基于常用不锈钢钢种1Cr18Ni9,通过降低Ni含量,增加Al含量,设计新型低镍不锈钢。通过WS-4非自耗电弧炉熔炼,得到三种不同成分的低镍高铝不锈钢,用金相显微镜研究其显微组织,并对其屈服强度、硬度等力学性能进行了测试;同时研究了合金的高温抗氧化性能。结果表明,通过降镍增铝,1Cr18Ni9不锈钢的显微组织由奥氏体向铁素体转变,基体组织中析出的金属间化合物逐渐增加,其屈服强度、硬度、高温抗氧化性都有大幅度提高。

不同Al质量分数的铸造304不锈钢组织和性能

通过中频无芯感应炉,在无保护气氛的大气中熔炼铸造制备Al质量分数为0%、1.5%、2%、3%的304不锈钢,并对其进行1 050℃,保温45min的固溶处理,利用X射线衍射仪、光学显微镜、电子探针(EPMA)、扫描电镜(SEM)、拉伸试验和腐蚀试验,研究不同Al质量分数304不锈钢的组织和性能.结果表明:304不锈钢中加入Al元素后合金的组织由奥氏体+少量的骨骼状的δ铁素体逐渐转变为奥氏体+铁素体双相组织,当含Al质量分数为3.0%时,304不锈钢的基体组织转变为铁素体和在铁素体晶界上分布着的少量奥氏体.固溶态高铝304不锈钢的性能优于铸态性能,含Al质量分数1.5%的固溶态304不锈钢具有最优的力学性能和耐腐蚀性能,与未加铝的304相比,各种性能均得到较大提高.

等温处理对含10wt%Mo的纳米晶Fe_3Al性能的影响

通过铝热反应法制备了含10 wt%Mo的纳米晶Fe3Al材料,并对制得的材料进行了600和800℃的等温热处理,利用XRD和TEM研究了等温热处理前后组织的变化,并测试了应力应变曲线和屈服强度。结果表明:等温热处理前后,材料的晶体结构没有发生变化,均由无序bcc结构的Fe3Al相组成;材料经热处理后的平均晶粒尺寸和屈服强度在600～800℃之间增加显著,并在800℃等温热处理8 h后分别达到最大值43 nm和960 MPa;热处理后,材料在断裂前的最大变形量提高了15%左右,并有良好的塑性变形平台,塑性显著提高。等温热处理是一种提高纳米晶材料综合力学性能的可行方法。

退火对铝热反应制备的添加10%Cr的Fe_3Al材料晶粒尺寸和力学性能的影响(英文)

对铝热法制备的添加质量分数为10%Cr的块体纳米晶Fe3Al材料进行600℃、800℃、1 000℃的8 h等温处理后,通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和电子探针分析材料的晶体结构和平均晶粒尺寸.结果表明,等温处理前后,Fe3Al材料的晶体结构始终保持无序bcc结构.材料的平均晶粒尺寸随退火温度的升高先增大后减小.等温处理前,材料的平均晶粒尺寸为21 nm,经过600℃、800℃和1 000℃等温处理后平均晶粒尺寸分别为31.7 nm、27.3 nm和24.6 nm.通过弯曲和压缩实验研究了材料的机械性能.等温处理前后,材料均具有较大的塑性变形量.材料的屈服强度随等温处理温度的升高而略有增大,是传统微米晶Fe3Al材料的3倍左右.含10%Cr的Fe3Al材料经过8 h的600℃、800℃和1 000℃等温处理后,具有优异的热稳定性和更高的强度.

Al元素对310S耐热钢组织和力学性能的影响研究

通过WS-4非自耗真空电弧炉熔炼制备了加Al 2%~10%(质量分数)的耐热钢310S(Cr25Ni20),用光学金相显微镜观察了金相组织,用EPMA-1600电子探针分析了组织中各元素的分布,结合D8 ADVANCE型X射线衍射确定了合金中的相组成,并进行了室温压缩和硬度力学性能试验。结果表明,随着铝含量增加,碳化物由连续条状转变为质点状;Al元素固溶于基体中,基体相为γ相;当Al含量大于6%时,基体相为α相,合金脆性大幅提高,合金由塑性材料转变为脆性材料。