铁基及镍基金属/金属间化合物微叠层复合材料制备与化合物层组织性能研究

摘要

金属间化合物微叠层复合材料（Metal-Intermetallic-Laminate，简称MIL）是依据仿生学原理，模拟自然界中贝壳的结构，以高硬度、高弹性模量的金属间化合物作为强性层与塑性、韧性较好的金属交替叠加获得的新型层状复合材料。微叠层复合材料通过较小的层间距和多界面效应，能够有效提高金属间化合物的断裂韧性以及抵抗裂纹扩展的能力，使其成为具有低密度、高强度、高比模量、高韧性等优异性能的结构功能一体化复合材料。微叠层复合材料有望在空间碎片超高速碰撞防护、地面轻型装甲车、武器装备防护和航空航天等领域获得应用。
　　目前为止，研究最广泛的钛基MIL材料仅由一种脆性金属间化合物层构成，这种结构不仅不利于阻止裂纹的扩展，同时金属间化合物/金属层之间较大的力学性能差异将导致界面处产生应力集中。因此，为了充分发挥MIL材料的界面效应，进一步韧化MIL材料的化合物层，本论文针对具有多层金属间化合物结构的铝/铁和铝/镍反应体系，利用不同的铁基、镍基合金箔材制备MIL材料，通过扫描电镜、X射线衍射仪、电子背散射衍射、硬度仪等分析手段，研究了合金化及高温退火对铁基、镍基MIL材料中化合物层相组成、生长动力学、扩散织构以及界面性能的影响。
　　论文得出如下主要结论:
　　1.在Al与430-SS的固/固反应中形成了以硬脆性Fe2Al5相为主的金属间化合物层;半固态反应获得的化合物层主要为具有共晶结构的两相层和含有富Cr相的均匀层构成的多层结构;在液态反应中，由于化合物层中的Fe、Cr元素不断溶入液态Al中，导致粗大的Fe4Al13和Al2Cr13初生相在Al层中形成，割裂了430-SS基MIL材料组织的连续性。结果表明，半固态反应工艺是制备铁基MIL材料的最优化工艺。
　　2.以纯铁、430-SS(Fe-Cr)和304-SS(Fe-Cr-Ni)为基的铁基MIL材料不仅具有原材料成本低的优势，同时兼具多层金属间化合物结构的特点。从Al/Fe，Al/430-SS到Al/304-SS反应，随着Cr、Ni元素逐步参与反应，不仅在均匀层中生成含Cr、Ni元素的第二相，而且促使韧性较好的两相层在化合物层中所占的厚度比从430-SS中的约20％提升到304-SS中的约40％。合金化导致Al/Fe反应中由于快速扩散形成的<001>方向扩散织构在Al/430-SS和Al/304-SS反应中逐渐减弱。计算获得的Al/Fe、Al/430-SS和Al/304-SS反应的扩散激活能分别为150kJ/mol、200kJ/mol和220kJ/mol。
　　3.高温退火过程中在430-SS基MIL材料金属/金属间化合物层界面处形成了韧性的B2结构层以及Al浓度渐变的扩散固溶区域。这些显微组织转变降低了半固态反应中从硬脆金属间化合物层到韧性金属层间的硬度突变，减小铁基MIL材料在变形过程中出现分层失效的几率。利用扩散方程建立了浓度依赖条件下化合物成分与反应时间的动力学模型，使用有限差分法获得了该方程的等效数值解。并证明了计算结果在预测高温退火过程中化合物层厚度和浓度方面的可靠性。
　　4.在以纯Ni、Invar(Ni-Fe)和Inconel(Ni-Fe-Cr)为基的镍基MIL材料中，形成的金属间化合物层都具有多层结构。铁、铬等元素的合金化导致镍基MIL材料的化合物层从纯镍的Al3Ni、Al3Ni2单相层转变为Invar及Inconel中具有共晶结构的两相共存层和组织均一细小的均匀层。显微硬度测试结果表明，两相层具有良好的韧性，与镍基MIL材料多层结构特点相结合，能够有效的抑制脆性裂纹在镍基MIL材料中的生成和扩展。镍基MIL材料中的多层结构呈现出“混合动力学生长机制”，其中两相层的生长受界面反应控制，而均匀层的生长受体扩散控制。
　　5.提出并证明了溶解度判定模型可以快速准确地预测三元及三元以上反应体系下铁基和镍基MIL材料中两相区的相组成。计算了不同铁基及镍基反应体系中金属箔材的生成率R;建立了初始箔材厚度和最终化合物层厚度间的函数关系:y=F(x,ρi，Wi)=ρAlx/∑μi·wi·ρi;并通过相应的实验验证了计算结果在当前反应体系中的可靠性。通过化学成分-硬度关系确定了Al-Fe-Cr三元体系的硬度相图，并利用该相图与扩散路径曲线结合，提出了基于材料设计-制备工艺-显微组织-显微硬度思想的铁基MIL材料组织性能优化及预测的方法。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 微叠层复合材料

1．1．1 层状复合材料的分类

1．1．2 微叠层复合材料的仿生学构想

1．1．3 微叠复合材料体系的设计及选择原则

1．2 金属间化合物微叠层复合材料

1．2．1 金属间化合物及其韧化

1．2．2 金属间化合物微叠层复合材料的韧化机理

1．2．3 金属间化合物微叠层复合材料的力学性能

1．3 金属间化合物微叠层复合材料的研究进展

1．3．1 金属间化合物微叠层复合材料的主要材料体系

1．3．2 金属间化合物微叠层复合材料的制备

1．3．3 金属间化合物微叠层复合材料的应用

1．4 本文主要研究思路

2 MIL材料的制备与研究方法

2．1 反应体系选择及反应原材料

2．2 反应装置及样品制备

2．2．1 原始箔材的预处理及反应装置

2．2．2 样品制备

2．3 组织结构表征

3 铁基MIL材料制备工艺研究

3．1 温度对A1／430-SS反应微观组织的影响

3．1．1 固态／固态反应

3．1．2 固态／半固态反应

3．1．3 固态／液态反应

3．1．4 A1／430-SS反应中的金属间化合物

3．2 温度对A1／430-SS反应动力学的影响

3．2．1 生长动力学

3．2．2 扩散激活能

3．2．3 生长动力学及激活能的分析

3．3 铁基MIL材料制备工艺的优化

3．3．1 铁基MIL材料的工艺优化

3．3．2 430-SS基MIL材料的制备

3．4 本章小结

4 铁基MIL材料的组织性能研究

4．1 不同铁基合金与铝反应生成的金属间化合物相及其微观组织演变

4．1．1 A1／纯Fe反应生成相及微观组织演变

4．1．2 A1／430-SS反应生成相及微观组织演变

4．1．3 A1／304-SS反应生成相及微观组织演变

4．2 不同铁基MIL材料的显微硬度分布

4．3 不同铁基MIL材料金属间化合物层的生长动力学

4．4 不同铁基MIL材料的择优生长和织构

4．4．1 A1／纯Fe反应生成的金属间化合物层

4．4．2 A1／不锈钢反应生成的金属间化合物层

4．5 本章小结

5 高温退火对铁基MIL材料组织性能影响

5．1 高温退火下MIL材料微观组织演变及相组成

5．1．1 高温退火下的微观组织演变

5．1．2 高温退火后的相组成

5．2 高温退火对MIL材料显微硬度分布的影响

5．3 高温退火对MIL材料化合物层生长机制的影响

5．4 高温退火过程的数值模拟结果及分析

5．4．1 模型建立及计算

5．4．2 计算结果与分析

5．5 本章小结

6 镍基MIL材料的组织与性能研究

6．1 不同镍合金与铝反应生成的金属间化合物相及其微观组织演变

6．1．1 A1／纯Ni反应的生成相及微观组织演变

6．1．2 A1／Invar合金反应的生成相及微观组织演变

6．1．3 A1／Inconel合金反应的生成相及微观组织演变

6．2 不同镍基MIL材料显微硬度分布

6．3 不同镍基MIL材料金属间化合物层生长动力学

6．4 不同镍基MIL材料的择优生长和织构

6．5 本章小结

7 MIL材料生成相预测与组织性能控制

7．1 MIL材料生成相预测

7．1．1 二元反应的生成相预测

7．1．2 三元及三元以上反应的生成相预测

7．2 MIL材料微观组织结构计算及预测

7．3 基于工艺-组织-性能思想的MIL组织性能控制

7．4 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介