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。

Fe-Al-V三元系富铁角热力学优化

采用CALPHAD方法对Fe-Al-V三元系富铁角进行热力学优化,并首次提出采用三亚点阵模型描述三元金属间化合物L21相,即(Fe)2(Al,Fe)1(Fe,V)1。基于可靠的边界二元系热力学描述,结合Fe-Al-V三元系富铁角试验数据,通过优化获得了一套自洽准确的热力学模型参数。优化的模型参数可较满意地重现Fe-Al-V三元系富铁角的相平衡关系,弥补了商业数据库无法对其进行描述的不足,为钒微合金化轻质钢的设计开发提供可靠的理论基础。

Al-Cr-Fe-Mn-Ni高熵合金中的L2_(1)相的相稳定性及其性能研究

为开发兼具良好强度与塑性的BCC基高熵合金,可引入与基体共格的B2或L2_(1)相。L2_(1)相具有更好的抗蠕变性能,有望在高温环境中得到应用。但是,目前对BCC型高熵合金中L2_(1)相的存在规律、相稳定性及其对合金性能的影响还缺乏深入的研究。为此,本工作研究了电弧熔炼制备的铸态Al_(0.5)Cr_(2.5-x)FeMn_(x)Ni(x=0.5~1.75)、Al_(0.75)Cr_(2.25-y)FeMn_(y)Ni(y=0.25~1.5)、AlCr_(2-z)FeMn_(z)Ni(z=0.5~1.5)高熵合金的相组成,及800℃或1000℃真空退火120 h对合金组织和相组成的影响。研究表明,这些合金中L2_(1)相的成分特征由40%~50%(原子分数)Ni和15%~20%(原子分数)Al、Mn组成。L2_(1)相只存在于Al含量为10%~15%(原子分数)的合金中,且多以BCC+L2_(1)两相共存,获得的组织为编织网状的调幅分解组织。当Al含量达到20%(原子分数)后,合金则由BCC+B2两相构成。L2_(1)相的存在会使BCC型XRD特征峰出现明显的峰分裂。经过800℃或1000℃退火后,合金中L2_(1)相仍能稳定存在,合金显微组织发生粗化并会形成σ或FCC相。铸态合金的硬度随Mn含量的增加而降低,含L2_(1)相的合金的硬度在463HV~558HV范围内。800℃退火会使含5%~15%(原子分数)Mn的合金硬度降低70HV~100HV,但由于硬质σ相的析出,含20%~30%(原子分数)Mn的合金硬度提高200HV以上;1000℃退火后,由于软质FCC相的形成,合金的硬度略有降低,这些结果将为BCC型高熵合金的设计奠定基础。

Al-Cu-Mn-Fe-Ag-Zr合金的微观组织与室温和高温性能研究

Al-Cu合金具有低密度、耐热性好和潜在的高温稳定性等优点,广泛应用于汽车和航空航天等领域。为提高Al-Cu基铸造合金的耐热性能,本文制备了质量分数为Al-4%Cu-0.5%Mn-0.1%Fe-0.4%Ag-0.3%Zr(简称AC)的合金。采用OM和SEM分析了合金的微观形貌及化学成分,采用XRD分析了合金的物相结构,采用EBSD研究了晶粒形态与尺寸分布,采用TEM分析了合金在时效处理后的微观组织和析出相形态,采用高低温拉伸试验机进行了室温和高温力学性能测试。结果表明,AC合金在铸造过程中形成的金属间化合物主要包括Al_2Cu和Al_7Cu_2Fe,其中,Al_2Cu相在固溶处理后溶入基体中,并在时效处理后重新沉淀为θ′相,成为主要的强化相。此外,经T6热处理后,合金中还包含着T_(Mn)(Al_(20)Cu_2Mn_3)相,Ag元素固溶于铝基体中,而Zr元素则使得合金析出L1_2-Al_3Zr纳米相,其与θ′相存在位向关系。测试了合金在室温和高温(200、300和400℃)下的拉伸性能,对应屈服强度可分别达236、155、129和61 MPa。

Fe-C-Mn-Si-Al双相钢两相区加热过程中的奥氏体相变行为研究

采用Dictra软件模拟与实验验证相结合,研究了不同加热条件下铁素体+渗碳体向奥氏体的相变过程,重点分析了渗碳体溶解规律及其对奥氏体相变动力学的影响规律,借助场发射电子探针对不同加热路径下的铁素体及马氏体组织形貌及元素分布进行观测,使用透射电镜对渗碳体和残余奥氏体进行了表征。结果表明,慢速加热至740℃长时间等温与加热至780℃较短时间等温对比发现,虽然渗碳体刚溶解完全时的奥氏体分数相差不大,但在渗碳体溶解的过程中,奥氏体相变的方式不尽相同。在慢速加热条件下,铁素体晶界处为奥氏体优先形核地点;快速加热条件下,由于形核驱动力提高,铁素体晶粒内部的渗碳体处同样可以形核。740℃等温结合快速加热,获得了马氏体与残余奥氏体的“壳-核”组织结构。

扫描速度对激光熔覆Fe-Al合金熔覆层组织及性能的影响

为提高工程用高强钢的耐蚀性并降低使用材料成本,采用光纤激光器在Q960E高强钢表面以同轴送粉工艺制备Fe-Al合金熔覆层,研究不同扫描速度对组织及耐蚀性的影响.结果表明,熔覆层的晶粒形态与元素分布及含量都受到扫描速度的影响.物相主要由DO3结构的Fe3Al相和B2结构的FeAl相以共晶形式组成.熔覆层的硬度随扫描速度增加受晶粒细化的影响逐渐提高.3种扫描速度下的熔覆层自腐蚀电位随扫描速度增加先上升后下降,自腐蚀电流密度先减小后增大,经过极化后的熔覆层表面点蚀坑随扫描速度的增加先由深变浅,后点蚀坑面积扩大.

面向高频应用的Fe-Si-Al软磁粉芯制备工艺改进及性能表征

为了提升Fe-Si-Al软磁粉芯的抗饱和性能,解决高频下产生较大的磁损耗等问题,本研究利用Al3+水解法制备了氧化铝包覆小粒径Fe-Si-Al粉末制备软磁粉芯工艺,探究了铝源液中氧化铝含量和成型压强对软磁粉芯高频磁性能的影响。运用扫描电子显微镜对经不同氧化铝含量的铝源液水解物包覆处理的Fe-Si-Al粉末表面形貌进行了表征,借助傅里叶红外光谱仪对包覆层成分进行分析。结果表明随着氧化铝含量增加,由包覆层引起的结构退磁场逐渐增大,软磁粉芯的有效磁导率减小,抗磁饱和性能改善;成型压强主要通过影响粉芯内部的气隙率和包覆层的质量来影响粉芯磁性能,压强越大,气隙率越小,有效磁导率越大,但压强过大会破坏粉末表面包覆层,恶化磁性能。经测定氧化铝含量为2.0 wt%、成型压强为1 860 MPa时获得的软磁粉芯的有效磁导率约为60;外加直流磁场强为8 000 A/m时,粉芯的有效磁导率百分比(%μe)高达63.84%;200 kHz/50 mT条件下磁损耗为235.7 mW/cm^(3)。

低剩磁高Al含量Fe-Al合金的制备及性能研究

低剩磁高Al含量的Fe-Al合金是一类非常重要的金属结构材料,在工业生产中有着重要的用途。现代工业经济的飞速发展,使得对低剩磁高Al含量的Fe-Al合金制备技术和性能的深入研究变得更加重要。作者就低剩磁高Al含量Fe-Al合金的制备技术和性能进行了深入的分析与研究。研究结果表明制取的低剩磁高Al含量Fe-Al合金材料性能优良,可以替代现在使用的晶粒取向Si-Fe合金。

半连续铸造工艺对Al-1.3Fe-0.2Si合金扁锭组织的影响

采用低液位半连续铸造工艺制备Al-1.3Fe-0.2Si合金扁锭,研究了铸造工艺对镜面铝用Al-1.3Fe-0.2Si合金铸锭组织的影响。结果表明,Al-1.3Fe-0.2Si合金扁锭中的第二相以片状或针状的β-Al(Fe,Mn,Si)相、断续或球状α-Al(Fe,Mn,Si)相为主,增大铸造冷却水量后对片状或针状的β-Al(Fe,Mn,Si)相的破碎细化效果先增加后降低。当冷却水量为162 m^(3)/h、铸造速度为55 mm/min时铸锭第二相尺寸最细小,成品板材表面光亮无底纹;晶粒尺寸的细化效果随冷却水量的增加先增加后降低。当冷却水量为150 m^(3)/h、铸造速度为50 mm/min时细化晶粒效果最好,但成品板材表面呈现底纹缺陷;考虑第二相对轧制镜面铝板材的影响更大,且轧制过程对铸锭晶粒有破碎作用,采用冷却水量为162 m^(3)/h,铸造速度为55 mm/min对工业生产最有利。

Cr元素掺杂对Fe-C-Mn-Al系轻质钢的影响研究进展

Fe-C-Mn-Al系轻质钢具有良好的耐腐蚀性、低密度和优异的综合力学性能,在钢中添加合金元素会显著影响相变热力学与动力学,进一步影响并决定组织形貌的演化过程.添加Cr元素会对Fe-C-Mn-Al系轻质钢微观组织产生显著作用,重点对添加不同含量的Cr元素后,对κ-碳化物、β-Mn和DO_(3)等相生长、晶粒尺寸变化及晶界角度的改变,促进Al_(2)O_(3)及含Cr氧化物的生成,以及提高Fe-C-Mn-Al系轻质钢抗拉强度、耐腐蚀性和抗氧化性等性能的情况进行分析.并归纳总结了Cr元素的加入及不同含量的Cr元素给Fe-C-Mn-Al系轻质钢带来的优势,同时对当前的发展趋势进行展望.

不同形貌Al-Fe金属的块体压制成形模拟研究

文章以含40%Al的Al-Fe复合金属为研究对象,对颗粒状和屑状40Al-Fe复合金属分别进行压制预变形,并对屑状40Al-Fe复合金属预制坯进行了二次热压缩变形,重点研究压制预变形及二次热压缩对Al-Fe复合金属成形性和界面影响。结果表明:压力为16 MPa时,颗粒状40Al-Fe复合金属预制坯(密度为4.54 g/cm^(3))成形性良好且形成致密界面;压力为16 MPa时,屑状40Al-Fe复合金属预制坯(密度为3.50 g/cm3)可以成形但界面存在孔洞,Al屑主要为“片层状”“狗牙状”“圆圈状”“波浪状”,其经二次热压缩变形,“圆圈状”Al屑连成一个整体,“狗牙状”与“波浪状”Al屑均演变为“片层状”,而Fe屑仍为“片层状”“块状”,未发生明显变形。变形温度300℃、变形速率0.5 s^(-1)、变形程度0.1是目前生产工艺最佳参数,此时屑状40Al-Fe复合金属成形性最佳且界面结合良好(密度为4.66 g/cm^(3))。

固溶温度对Fe-20Mn-9Al-1.2C低密度钢组织性能的影响

为了达到低密度高强钢优异强韧性结合的目的,设计了一种低密度高强钢Fe-20Mn-9Al-1.2C,经冶炼、锻造和热轧后在900,950,1 000,1 050℃下分别进行固溶处理,保温24 min,并快速水淬,采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子探针(EMPA)等试验方法研究固溶温度对试验钢组织性能的影响.结果表明:所设计的新型低密度钢的密度为6.826 g/cm^(3),比常规钢的密度降低约13%.当固溶温度为1 000℃,低密度钢的综合力学性能最佳,其抗拉强度可达1 065 MPa,屈服强度为937 MPa,延伸率为65.3%,强塑积可达69.5 GPa·%,-40℃冲击功(V型缺口)为49 J.

Fe-Al-La电子结构及耐腐蚀性第一性原理研究

材料的电子态密度、能量、能带结构、差分电荷密度以及局域态密度对材料的抗腐蚀性有重要影响。本文基于第一性原理密度泛函平面波赝势法,优化了Fe、Fe-Al、Fe_(8)Al_(8)La电子结构,并从态密度、峰值分析了Fe-Al合金耐腐蚀性机理。结果表明,在Fe-Al合金中加入La,Fe与La之间存在明显的电荷转移并形成了离子键,使Fe-Al的能带宽度降低到30.8 eV,表明La减弱Fe-Al原子轨道的扩展性,La使Fe-Al态密度的峰值增大到30.26 electron/eV,成键的电子数逐渐增加,提高了Fe-Al的稳定性和抗耐腐蚀性能,为提高Fe-Al合金的性能奠定一定理论基础。

主轴转向对再生Al-Si-Fe-Mg合金多道次搅拌摩擦加工区组织和性能的影响

对4.5 mm厚的再生Al-7.0Si-0.85Fe-0.30Mg合金板进行相同主轴转向1~3道次和改变第2道次主轴转向2,3道次的搅拌摩擦加工,研究了主轴转向对搅拌摩擦加工区组织和力学性能的影响。结果表明:随着加工道次的增加,加工区的面积以及前进侧热机影响区的宽度增大,加工核心区的富铁相、共晶硅等第二相颗粒长度减小,圆整度提高,强度和硬度无显著改变,断后伸长率显著提高。改变第2道次主轴转向后加工区面积较相同主轴转向时减小,但组织对称性提高,前进侧热机影响区宽度减小;改变主轴转向后,第二相颗粒尺寸变化不明显,但圆整度显著降低,强度和硬度的变化也不明显,断后伸长率略有提高。

Fe-28Mn-10Al-0.8C的热压缩行为及微观组织结构转变

通过Gleeble-3500热模拟机研究了铸态Fe-28Mn-10Al-0.8C低密度高强钢在850~1050℃温度范围和0.01~10 s^(-1)应变速率范围内的热压缩行为和组织转变。实验结果表明,Fe-28Mn-10Al-0.8C钢的动态回复(DRV)和动态再结晶(DRX)行为与变形温度、应变和应变速率直接相关。基于双曲正弦函数和线性拟合,实验钢的可用活化能(Q)为454.64 kJ/mol。给出了实验钢在热压缩变形过程中的组织演变和动态再结晶过程:变形温度的升高或应变速率的降低,可促进奥氏体的动态再结晶和晶粒长大;随着应变速率的增加,会得到更细小的奥氏体动态再结晶晶粒。

Fe-Mn-Al-C系低密度钢及其强韧化机制研究进展

汽车行业的迅速发展使得能源消耗、环境污染等问题日益严重,而开发高强度且轻量化的汽车用钢对节能减排具有重要意义。目前正在研发的第三代先进高强钢包括轻质(Lightweight)钢、Q&P(Quenching and partitioning)钢和中锰钢(Mn质量分数为5%~10%)。其中,Fe-Mn-Al-C系低密度高强钢由于Al元素的加入,在密度降低的同时保持着良好的力学性能,满足第三代汽车用钢对轻量化的要求。同时,由于大量Al、Mn和C元素的添加,Fe-Mn-Al-C系低密度钢的冶炼连铸、微观结构、变形机制、加工过程及应用性能与传统钢种大不相同。本文系统阐述了Fe-Mn-Al-C系低密度钢的成分设计及其中合金元素的作用,介绍了低密度钢的微观组织结构特征;重点讨论了单一铁素体钢、奥氏体基钢、奥氏体基双相钢和铁素体基双相钢的各种强韧化机制,包括固溶强化、细晶强化、沉淀强化及其独特的应变硬化机制,如相变诱导塑性(TRIP)、孪晶诱导塑性(TWIP)、微带诱导塑性(MBIP)、剪切带诱导塑性(SIP)和动态滑移带细化(DSBR)等;并就层错能(SFE)对奥氏体钢变形机制产生的影响进行了总结;最后,对Fe-Mn-Al-C系低密度钢的强韧化机制研究进行展望,为后续研究者的工作提供参考。

纳米Al掺杂对烧结Nd-Fe-B结构与性能的影响

采用晶间掺杂方法将不同含量的纳米Al加入钕铁硼细粉中,制备出不同纳米Al掺杂量的烧结钕铁硼磁体。系统研究了纳米Al的掺杂对烧结钕铁硼磁体微观结构、磁性能和温度稳定性的影响。结果表明:纳米Al的掺杂可以明显提高磁体的矫顽力,其矫顽力由未掺杂纳米Al时的8.91 kOe提高到掺杂0.8%纳米Al时的12.34 kOe,但纳米Al的掺杂也会导致磁体的剩磁和磁能积的降低。纳米Al的掺杂能够改善磁体的温度稳定性。由于纳米Al的熔点低,通过掺杂纳米Al既有助于烧结磁体的液相烧结促进其致密化,又能减少块状富稀土相,增加薄片状富稀土相,起到去磁耦合作用,对于烧结磁体的磁硬化具有重要作用。

Fe-Mn-Al-C系低密度钢热处理研究进展

在节能环保大背景下,汽车工业领域用钢不断得到升级优化,作为新一代先进钢铁材料,Fe-Mn-Al-C系低密度钢以其低密度和高强韧性得到了越来越多的关注。Fe-Mn-Al-C系低密度钢中基本合金元素为Fe、Mn、Al、C,基本组成相为奥氏体(γ)、铁素体(α),在一定工艺条件下,还含有κ-碳化物、B2、DO_(3)和β-Mn等析出相,根据其组成相,可分为铁素体低密度钢、奥氏体低密度钢、铁素体基低密度钢和奥氏体基低密度钢。热处理工艺对调控低密度钢组织构成和析出相的析出行为有着重要作用,进而提高低密度钢的综合力学性能。研究表明,退火处理可以有效地消除冷轧低密度钢的带状组织,改善其强韧性;而控制固溶和时效处理工艺,可以调控析出相的大小、形态、分布等获得高强塑积低密度钢,因此热处理是优化低密度钢综合性能的一个行之有效的方法。本文对Fe-Mn-Al-C系低密度钢的成分设计和组成相特点作了介绍,从热处理工艺角度出发,对该体系钢的微观结构和力学性能影响进行了综述,着重从退火、固溶处理和时效处理等热处理方式进行了阐释,基于Fe-Mn-Al-C系低密度钢研究现状,对该体系钢未来的研究方向进行了展望,为后续研究提供一定的参考价值。

Fe-Mn-Al-Ni-C低密度钢铸锭的再结晶特征与热加工图

在变形温度为925~1150℃和应变速率为0.01~10 s^(-1)的条件下,采用THERMECMASTOR 100 kN热模拟试验机研究了Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢铸锭的热变形行为,分析了其动态再结晶(DRX)特征,并绘制了其在不同应变量下的热加工图。结果表明:该铸锭变形后的组织主要由高温铁素体(δ-F)、奥氏体(A)、α-铁素体(α-F)和κ-碳化物组成。δ-F和κ-碳化物的存在使得铸锭的热加工性能变差,只有在变形温度升高到1125℃或者应变速率下降到0.02 s^(-1)时,铸锭才能获得再结晶组织,实现软化。Fe-15Mn-15Al-5Ni-1C低密度钢存在两个适宜的热加工区域,区域1:变形温度为1125~1150℃,应变速率为0.01~0.5 s^(-1);区域2:变形温度为925~1080℃,应变速率为0.01~0.02 s^(-1)。

退火温度与成型压力对Fe-Si-Al磁粉芯性能的影响

采用层状硅酸镁铝凝胶为包覆剂,对气雾化球形Fe-Si-Al合金磁粉进行绝缘包覆制备磁粉芯。研究了退火温度与成型压力对Fe-Si-Al磁粉芯性能的影响。研究表明,退火温度从650℃增至800℃时,Fe-Si-Al磁粉芯的有效磁导率μe由57.8提高至64.8,而其功率损耗P_(cv)由202.6 mW/cm^(3)显著下降至117.8 mW/cm^(3);成型压力从1200 MPa增加至2090 MPa时,Fe-Si-Al磁粉芯的密度ρ由5.51 g/cm^(3)上升至5.89 g/cm^(3),其有效磁导率μe由46.3显著提高至64.8,而功率损耗P_(cv)由123.5 mW/cm^(3)下降至117.8 mW/cm^(3)。通过损耗分离发现,升高退火温度和成型压力能显著降低其磁滞损耗Ph,而其涡流损耗Pe小幅度上升。