Fe-Al金屬間化合物多孔材料的研究.pdf

1、本論文提出采用Fe/A1元素混合粉末反應合成方法，利用Fe和A1元素之間的偏擴散在材料中產(chǎn)生的Kirkendall效應，和A1與Fe的反應合成來制備Fe-A1金屬間化合物多孔材料，是繼陶瓷和金屬多孔材料之后對無機多孔材料的新擴展；同時，制備方法具有簡單可控，成本低廉等特點，對開發(fā)金屬間化合物多孔材料以及工業(yè)化應用等具有重要意義。 通過Fe/A1元素混合粉末的反應合成方法，制備了Fe-A1金屬間化合物多孔材料，提出了三階段粉末燒結

2、工藝，并由此制備出具有良好近凈成形性的Fe-A1金屬間化合物多孔體，詳細論述了制備過程及特點。采用多種測試手段表征了Fe-A1金屬間化合物多孔材料的孔結構性能，并深入探討了Fe-A1金屬間化合物多孔材料的造孔機理。研究表明，F(xiàn)e-A1多孔材料的造孔過程可分為四個階段：Ⅰ.壓制階段所產(chǎn)生的粉末顆粒間隙孔的演變；Ⅱ.A1熔點以下基于Kirkendall效應所產(chǎn)生的Kirkendall孔隙；Ⅲ.液態(tài)A1反應消耗產(chǎn)生的孔隙；Ⅳ.最終相獲得所經(jīng)歷

3、的相變而導致的孔隙長大。建立了Fe-A1粉末擴散偶管體模型，并由此探討了粉末體系中孔隙與基體之間的結構特征。 對孔結構性能及其影響因素進行了系統(tǒng)研究，并建立了制備工藝參數(shù)與孔結構性能之間的定量關系方程。粉末粒度是決定Fe-A1金屬間化合物多孔材料最大孔徑的主要因素之一，在18/μm～125μm的粒度范圍內，多孔體最大孔徑dm與粉末粒徑dp之間嚴格遵循dm=0.4·dp的直線變化規(guī)律。壓制壓力對Fe-A1金屬間化合物多孔材料孔徑的

4、影響是通過壓制過程對壓坯粉末顆粒的塑性變形以及對壓坯間隙孔的影響來實現(xiàn)的。A1含量是決定Fe-A1金屬間化合物多孔材料孔隙度的主要因素之一，在20wt％～45wt％的A1含量范圍內，F(xiàn)e-A1金屬間化合物多孔材料的孔隙度與A1含量之間遵循嚴格的直線遞增規(guī)律。Fe-A1金屬間化合物多孔材料的透氣度K與開孔隙度θ和最大孔徑dm之間嚴格滿足Hagen-Poiseuille方程。建立了Fe-A1金屬間化合物多孔材料的透氣性能和孔結構性能參數(shù)之間

5、統(tǒng)一的普適方程：K=Ad2mθ，A=（2.32±0.05）×1011m-1kPa-1h-1。 Fe-A1金屬間化合物多孔材料的孔結構控制可通過調節(jié)成形階段和反應合成階段的工藝參數(shù)得以實現(xiàn)。在成形階段，可通過對原料粉末成分、粉末粒度和壓制壓力的調節(jié)進行孔結構控制。其中，孔隙度的值主要取決于A1組元的含量；體系最終產(chǎn)生的孔隙尺寸則依賴于成形坯體A1組元的顆粒尺寸。在反應合成階段控制孔結構主要是通過調節(jié)孔隙形成的第Ⅱ階段，即固態(tài)擴散

6、反應階段的反應溫度和保溫時間達到孔結構自主控制的目的。得到本制備條件下，F(xiàn)e-A1金屬間化合物多孔體中的開孔隙度θ和最大孔徑d與600℃保溫時間t之間的定量關系表達式：θ=49.7-0.1t，dm=20.3-0.065t（60≤t≤240）。如果采用同時在成形階段和反應合成階段控制孔結構，則可實現(xiàn)Fe-A1金屬間化合物多孔材料孔結構參數(shù)在較大范圍內的調節(jié)。 定量研究了Fe-A1金屬間化合物多孔材料的室溫及高溫力學性能。Fe-A1

7、金屬間化合物多孔材料的抗拉強度σb與孔隙度θ之間嚴格遵循巴爾申方程σb=σ0（1-θ）m。Fe-A1金屬間化合物多孔材料的高溫力學性能優(yōu)異，由于空位“固溶”強化作用和塑性的提高，600℃的拉伸強度比室溫提高～36.890，800℃下仍可保存～10MPa的抗拉強度。 對Fe-A1金屬間化合物多孔材料焊接性能的研究表明，采用自制的Cu-10wt％Sn粉末壓坯為釬料，可使Fe-A1多孔材料獲得良好的自體焊接和與不銹鋼的異體焊接接頭。自

8、焊和異焊的抗拉強度分別達到75.0MPa和83.9Mpa，分別為Fe-A1多孔材料基體抗拉強度的81.5％和91.2％。Fe-A1金屬間化合物多孔材料采用Cu-10wt％Sn為釬料進行真空焊接的焊接機理為釬料元素與焊接基體元素的互擴散與反應。Fe-A1多孔材料與不銹鋼經(jīng)焊接后，焊縫處擴散層的組織結構為：S-S+（Cu，Sn）/（Cu，Sn）/ Cu9Al4+（Cu，F(xiàn)e）+（Cu，Sn）/ AlFe3+ Al4Cu9+（Cu，Sn），焊

9、接強度薄弱面為釬料/Fe-A1結合面。Fe-A1多孔材料自焊后焊縫擴散層為（Cu，Sn）固溶體相與Cu-Sn金屬間化合物共存的組織結構，焊接強度薄弱面為焊縫中心區(qū)域。采用激光焊接，F(xiàn)e-A1多孔材料的自焊可獲得優(yōu)良的焊縫，抗拉強度基本等同于Fe-A1多孔材料基體強度。而Fe-A1多孔材料與不銹鋼的異焊焊縫中的部分區(qū)域偶有裂紋和氣孔存在。經(jīng)測試，激光焊接Fe-A1金屬間化合物多孔材料與不銹鋼異焊的抗拉強度可達86.3MPa，約為Fe-A1