急冷凝固Fe3Al金属间化合物韧化研究（Ⅱ）

D01:10.13374/i.issn1001-053x.1992.03.024 北京科技大学学报 第14卷第3期 Vo1.14No.3 1992年5月 Journal of University of Science and Technololgy Beijing May 1992 急冷凝固Fe,Al金属间化合物 韧化研究(II) 孙祖庆·黄原定·陈国良· 摘要：通过急冷凝固及加储合金化的方法，改善了金属间化合物Fc:AI的室温塑性。 实验结果表明：急冷疑固降低了合金有序度，细化了品粒，而合金元素铬的添加，使铁铝 合金的室温延伸率由2%提高到5.6%。 关键词：金属间化合物，急冷凝固合金，铝化物 Study on the Ductility of Rapidly Solidified Fe,Al Inter-Metallic Compounds (II) Sun Zuqing'Huang Yuanding'Chen Guoliang ABSTRACT:The room temperature ductility of Fe3AI intermetallic compound has been improved by Cr addition and rapid solidificaton processing.The experi- mental results show that RSP decrease the grain size and the degree of order and 2%Cr addition increases the room temperature ductility from 2%to 5.6%, which may be associated with the increase of cleavage stringth. KEY WORDS:intermetallic compound,rapidly solidified alloy,aluminides 近20年来，通过合金化及先进工艺的开发，使得部分铝化物的脆性改善研究取得突破性 进展，金属间化合物又重新成为当代材料科学与工程的前沿1-3？。急冷凝固工艺在细化组 织、降低有序度、降低偏析、形成热力学亚稳相方面的优势〔4]，均为改善铁铝金属间化合 物室温塑性带来有利影响。本工作旨在通过合金化和急冷凝固工艺的综合，以探索改善铁铝 金属间化合物室温塑性的可能性。 1991-10-06收稿 ,材料科学与I系(Department of Materials Science and Engineeri血g) 328

第” 卷第 期 ， 年 月 北 京 科 技 夭 学 学 报 。 了 。 。 急冷凝固 金属间化合物 韧化研究 孙祖庆 ‘ 黄原定 ’ 陈国良 ‘ 摘 要 通过急冷凝固 及加铬 合 金化的方法 ， 改善 了金属间化合物 。 的室温塑性 。 实 验结 果表明 急冷 疑 固降低 了合金有序度 ， 细 化 了晶拉 ， 而 合 金元素 铬 的添 加 ， 使 铁 铝 合 金的室温延伸率 由 提高到 。 。 关健词 金属间化合物 ， 急冷提固合 金 ， 铝化物 一 “ 夕 。 肠 。 ， 。 ， ， ，、 ， 近 年来 ， 通过 合金 化及先进工 艺的开 发 ， 使得部分 铝化物 的脆性改善研究取得突破性 进展 ， 金属 间化 合物 又重新成 为当代材料科 学与工程 的前沿 〔 ‘ 一 ’ 。 急 冷凝 固工 艺在细 化 组 织 、 降低有序度 、 降 低偏析 、 形成 热力学 亚稳相方面的优势 〔 ‘ 〕 ， 均为改善铁铝金属 间 化 合 物 室温塑性带 来有利影响 。 本工作 旨在通过 合金化和急冷凝 固工 艺的综合 ， 以探 索改善铁铝 金属 间化合物 室温 塑性的可能 性 。 一 一 收稿 材料科 学与 二程系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．03．024

1实验方法 实验用的铁铝合金基础成分为Fe-28at%A1,添加(2~7)at%Cr,所用原料为超高纯度 Fe、AI、Cr,合金经真空感应熔炼成中30mm×150mm的棒材，急冷凝固薄带用旋凝薄带机 制取，主要工艺参数如下：嘴射压力：4.1kPa;辊轮线速度：20m/s,制备分别在空气和充Ar气 氛中进行，空气中制取的薄带表面氧化膜呈灰色，而A气氛中制取的薄带呈金属光泽。试 样磨光后用36.5%的发烟盐酸浸蚀制取金相试样。拉伸试验在EPZ100试验机上进行，为了 防止夹头损伤试样，薄带两头各用一对铜片保护，对每个合金，试验至少重复5次，结果取 最佳值。拉伸试样断口观察在S-250扫描电镜上进行。制取透射电镜试样的电解液成分为 15%高氯酸+85%乙醇，电解液温度控制在-35℃以下，观察用透射电镜为H-800,加速电 压为200kV。 2试验结果及讨论 2,1显微组织 如图1所示，急冷处理后，在贴近辊轮 的试样一侧没有通常存在的微细等轴晶区， 而是柱状晶贯穿整个断面，晶粒宽度约为 20μm,远低于铸态晶粒尺寸r3),薄带的组 织为柱状树枝品。添加合金元素C后，晶粒 组织和尺寸没有明显变化。 城家C家 图1Fe-28A1合金快冷薄带的金相组织 Fig.1 Metallographic morphology of the ribbon of RS Fe-28Al alloy 图2F©-28A1合金快冷薄带的反相畴及{200}行射斑点 Fig.2 (a)Antiphase domain of RS Fe-28Al alloy ribbon (b)(200)diffraction pattern 329

实 验 方 法 实验 用 的铁铝 合金 基础 成 分为 一 ， 添加 一 ， 所用 原 料为 超高纯 度 、 、 ， 合金 经 真空 感应熔炼成 小 的棒材 ， 急 冷 凝 固薄带 用旋 凝薄带机 制取 ， 主要 工 艺参 数如下 嘴射 压力 辊轮线速度 ， 制 备分 别 在空 气和 充 气 氛 中进 行 ， 空 气 中制取 的薄带 表面氧化 膜呈 灰色 ， 而 气氛 中制 取 的薄带呈 金 属 光 泽 。 试 样磨光后 用 的发烟 盐酸 浸蚀制取金相试样 。 拉伸试验在 试验 机上 进 行 ， 为 了 防 止夹头 损伤试 样 ， 薄带 两头 各用 一对铜 片保 护 ， 对每 个合金 ， 试验至 少重 复 次 ， 结果取 最佳值 。 拉伸试样断 口 观察 在 一 扫描 电镜上 进行 。 制取 透射 电镜试样 的电 解 液 成 分 为 肠高氯酸 十 乙 醇 ， 电解液温 度控制在 一 ℃ 以下 ， 观 察用 透射 电镜为 一 ， 加 速电 压为 。 试验结 果及讨论 显微组 织 如 图 所示 ， 急冷处 理后 ， 在贴近辊轮 的试样一侧 没 有通常存在 的微 细等轴晶区 ， 而 是 柱状 晶贯穿整个断面 ， 晶 粒 宽 度 约 为 。 卜 ， 远 低于铸态 晶粒尺寸 〔 “ ’ ， 薄带 的组 织为柱状树枝 晶 。 添加 合金元 素 后 ， 晶粒 组 织和尺 寸没 有 明显变化 。 图 一 合金 快冷薄带的金相组 织 一 橇荡 鬓 套 龚粉释 图 一 合 金快 冷薄带 的反 相 畴 及 衍射斑 点 一

透射电镜观察结果表明：急冷凝固Fe-AI合金及Fe-A1-Cr合金中的反相畴为B:型，无 特定取向，尺寸上无明显差别，约为0.3μm,如图2(a)所示，图2(b)为{200}衍射斑点系列。 观察中未发现有DO,型反相畴。 2.2拉伸性能 充Ar气而制取薄带的力学性能如表1。由表1可以看出：(1)添加Cr后，合金的塑性提 高，含5%Cr及7%Cr合金延伸率增加到5,6%，考虑到薄带表面难以完全避免的微小缺陷对 性能结果的影响，可以认为，从已有数据还不可能分辨在急冷凝固条件下C含量对延伸率 的影响。(2)添加Cr后，断裂强度提高，(3)与常规治炼及热加工制备的试样性能比较(8？， 表1合金的力学性能 Table 1 Mechanical propeerties of the exprimental alloys 试样 a,MPa 8,% our,MPa Fe-28A1 567 2 495 Fc-27.4A1-2Cr 810 4.1 581 Fe-28A1-3.4Cr 517 4.1 517 Fe-28A1-5Cr 640 5.6 532 Fe-28A1-5.7Cr 637 5.1 593 Fe-28A1-7Cr 750 5.6 556 注：σ多，为热加工+再结晶退火+有序化处理试样的断裂强度 无论加C和不加Cr的合金，急冷试样的断裂强度均明显提高。为了分析急冷凝固工艺的作用， 又对铸态试样和急冷试样的延伸率进行比较，结果发现，所有铸态试样皆极脆，含2%C「 的铁铝合金延伸率为2.7%，屈服强度151MPa,断裂强度245MPa,其余试样的延伸率都小 于1%。 由于氧化比较严重，在空气中制得的薄带延伸率很低，仅在含2%、5%Cr的试样中得到 可测量值，分别为2.7%和1.5%，，相应的断裂强度为631MPa和55MPa,说明薄带制备环 境对性能有明显影响，表面状态是决定实际材料性能的重要因素。 2.3断口分析 对常规治炼及热加工的试样的断口分析表明，铁铝合金的断口为纯解理，而含Cr合金的 断裂均为沿晶和解理的混合模式。与此不同，所有A气氛中制得的薄带试样均表现为纯解理断 裂，如图3，空气中制得的薄带试样则为解理和沿晶混合断裂模式，如图4，后者可能和高温 条件下晶界内氧化引起晶界结合强度降低有关。 从实验结果来看，引起急冷凝固铁铝（铬）合金室温塑性改善的原因来自以下几个方 面： (1)急冷凝固工艺对铁铝合金塑性的影响 急冷凝固工艺可以消除宏观偏析和晶界偏聚，晶粒细化（旋凝法可获得宽度为5μm左右 的细晶)；降低有序度。近20年来，急冷凝固工艺已成为改善金属间化合物室温塑性的一种 重要手段，特别在Ni-A1,Fe-Al金属间化合物领域r5-7)。本实验以前工作也曾表明c8): 330

透射 电镜观察结果 表明 急冷凝 固 一 合金及 一 卜 合金 中的反相 畴 为 型 ， 无 特 定取 向 ， 尺 寸上 无 明显差别 ， 约 为 卜 ， 如图 所示 ， 图 为 衍射斑点系列 。 观 察 中未发现 有 型反相畴 。 · 拉 伸性 能 一 充 气而制取薄带 的力 学性能如 表 。 由表 可 以看 出 添加 后 ， 合金 的 塑性提 高 ， 含 及 合金延伸率增加 到 ， 考虑到薄带表面难以 完全避免的微 小缺陷对 性能结果 的影响 ， 可以认为 ， 从 已有数据还不可能分辨在急 冷凝 固条件下 含量 对 延 伸率 的影 响 。 添加 后 ， 断裂强度提 高 ， 与常规冶炼及热加 工 制备 的试 样性能 比较 〔 “ ’ ， 表 合金 的力学性能 试 样 口 ‘ ， 占， 曰，月户，‘ 们‘ ‘‘目、 口匕已曰已‘ ，甘 丹工，，土弓 一 八片丹急‘‘ 石了日山口斤八几八才 一 。 一 一 一 一 一 一 一 。 一 一 注 口 。 ， 为热加工 再结晶退火 有序化处理试样的断裂强 度 无论加 和不加 的合金 ， 急冷试样的断裂强度均明显提高 。 为 了分析急冷凝 固工艺的 作用 ， 又对铸态试样和急冷试样的延伸率进行比较 ， 结果 发现 ， 所有铸态 试样 皆 极 脆 ， 含 的铁铝合金延伸率为 ， 屈 服强度 ， 断裂强度 ， 其余试样的 延伸率都 小 于 。 由于氧化 比较严重 ， 在空 气中制得的薄带延伸率很低 ， 仅在 含 、 的试样中得到 可测量值 ， 分别为 和 。 ， ， 相应的断裂强 度为 和 ， 说明薄带制 备环 境对性能有明显影响 ， 表面状态是 决定实际材料性能 的重要 因素 。 。 断 分析 对常规冶炼及热加工 的试样 的断 口 分析表明 ， 铁 铝合金 的断 口 为纯解理 ， 而含 合金 的 断裂均为沿 晶和解理 的混合模式 。 与此不 同 ， 所有 气氛中制得 的薄带试样均表现为纯解理断 裂 ， 如图 ， 空气中制得的薄带试样则为解理和 沿 晶混合断裂模式 ， 如 图 ， 后者可能和 高温 条件下 晶界 内氧化 引起晶界结合强 度降低有关 。 从实验 结果来看 ， 引起急 冷凝 固铁铝 铬 合金 室温塑 性改善 的原 因来 自 以 下 几个方 面 急 冷凝 固工 艺对铁 铝合金塑性 的影响 急 冷凝 固工 艺可以 消除宏观偏析和 晶界偏 聚 晶粒细化 旋凝法可获得 宽度为 。 左 右 的 细晶 降 低有序度 。 近 年来 ， 急冷凝固工 艺已成 为 改 善金属 间化合物室温塑 性的一种 重要手段 ， 特别 在 一 ， 一 金属间化合物领域 〔 一 ， ’ 。 本实验以前工 作也曾 表 明“ ’

图3(a)Fe-23Al,(b)Fc-27.4A1-2Cr合金快冷薄带的拉伸断口形貌 Fig.3 Tensile fractography of (a)RS Fe-28A!alloy ribbon (b)RS Fe-27.4A1-2Cr alloy ribbon 图4下e-27,4A1-2Cr合金快冷薄带(air)的拉伸断口形貌 Fig.4 Tensile fractography of RS Fe-27.4A1-2Cr alloy ribbon (made in air) 急冷凝固使Fe-A1金属间化合物DO3相有序度明显降低，其特征(111)衍射蜂相对强度极低， 只有单色仪才能显示微弱的衍射，这跟本文实验结果是一致的。 (2)铬对铁铝合金塑性的影响 F3A1金属间化合物经合金元素铬宏观合金化，合理的热加工和热处理以后，塑性明显 改善，最高延伸苹可达到13.2%。急冷凝固Fe3Al合金及Fe3A1+Cr合金，由于Cr的加入， 塑性同样得到明显改善，结合本实验结果，塑性的改善不是靠C的加入来改善合金的晶粒大 小及反相畴大小，而是由于C的加入，解理强度提高所致。F©3AI合金晶界结合强度高于解 理强度，拉伸时断裂模式为纯解理断裂。铬的添加，改变了合金中的键性质(5)，提高了解 理强度，致使塑性提高。空气中制得的FeaA1+Cr合金，由于高温下晶界氧化引起晶界结合 强度降低，拉伸时断裂模式表现为解理和沿晶混合断口。 含Cr的快冷合金，合金加工硬化能力降低，也可能与改善室温塑性有关。这方面的深入 工作目前还在进行之中。 3结 论 (1)急冷凝固改善了铁铝金属间化合物的室温塑性及断裂强度，可能与细化晶粒，降低 有序度有关。 331

氰 图 一 ， 一 人 一 合 金 快冷薄带 的拉 伸断 口 形 貌 。 一 一 一 图 一 一 合 金 快冷薄带 的拉 伸 断 口 形 貌 一 一 急 冷凝 固使 一 金属 间化合物 相有序度明显降低 ， 其特征 衍射 峰相对强 度极 低 ， 只 有单色仪 才能 显示微 弱 的衍射 ， 这 跟 本 文 实验结 果是一致 的 。 铬 对铁 铝 合金塑 性 的影响 。 金属 间化合物 经 合金元 素铬 宏观 合 金 化 ， 合 理 的热加 工 和 热处 理 以后 ， 塑 性明显 改 善 ， 最高延伸率可达 到 。 急冷凝 固 合金 及 合金 ， 由于 的加 人 ， 塑 性同样得到 明显改 善 ， 结合本实验 结果 ， 塑 性 的改善不是 靠 的加 人来改善合金 的晶粒大 小及反相畴 大 小 ， 而是 由于 的加 人 ， 解理强 度提 高所致 。 。 合金 晶界结合强 度高于解 理强 度 ， 拉伸时断 裂模式 为纯 解理 断裂 。 铬 的添加 ， 改变 了合金 中的键 性 质 〔 ” 〕 ， 提 高 了解 理强度 ， 致使塑 性提 高 。 空 气 中制得的 十 合金 ， 由于 高温下 晶界氧化引起晶界 结合 强 度降 低 ， 拉伸 时断 裂模式 表现 为解 理和 沿 晶 混 合断 口 。 含 的快 冷合金 ， 合金加 工 硬化能 力降 低 ， 也 可能 与改 善室温塑 性有关 。 这 方面 的深人 工作 目前 还在进 行之 中 。 结 论 急 冷凝 固改 善 了铁 铝金属 间 匕合物 的室温塑 性 及断 裂强 度 ， 可能 与 细化 晶粒 ， 降 低 有序度有关 。 落

(2)对急冷薄带Fe-A1合金，合金元素Cr仍可改善室温塑性，铬含量对晶粒及反相畴影 响不大，其主要作用可能是提高了解理强度。 (3)在空气中制备Fe-A1及Fe-Al-Cr薄带，不能得到高质量产品，必须在Ar气中进行， 才能获得高质量产品。 参考文献 1 Aoki K,Izumi O,et al.Nippon Kinzoku/Cakkaish,1977,41:170 2 Mekamey C G,Liu C T,et al.ORNL/TM-10793 3孙祖庆，黄原定等。北京科技大学学报，1991,13(6)：539 4 Gaydosh D J and Crimp M A.Mater.Res.Soc.Symp.Proc.1985, 39:429 5 Koch CC.Mat.Res.Soc.Symp.Proc,1985,39:397 6 Baker I,Ichishita F and Schulson E M.in Rapidly Solidified Metastable Materials,ed.Kear B H and Giessen B C,North Holland,1984:395 7 Ray R,Pan Chanathan V and Isserow S.J.Metals,1983,35(6) 332

对急冷薄带 一 合金 ， 合金元素 仍可改善室温塑性 ， 铬含量对晶粒及反相畴影 响不大 ， 其主要作 用可能是提 高 了解理强度 。 在空气中制备 一 及 一 卜 薄带 ， 不能得到 高质量产品 ， 必须 在 气中进行 ， 才能获得高质量产 品 。 今 考 文 献 ， ， 。 泣 ， ， ， ， 一 孙祖庆 ， 黄原定等 北京科 技大 学学报 ， ， 。 。 。 。 ， ， ， 。 户 ， 。 劝 ， ， ， ，， ， 、 ‘ 争