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fe-al金属间化合物及其复合材料的研究进展 0 fe-al金属间化合物在粉末制备中的应用 1914年，英国的金融家首次提出了金属间化合物的概念。由于其低密度的一般介绍和加工性能，它开始忽视。随着人们对其基本原则的深入研究和生产工艺的进步，金属间化合物逐渐引起人们的兴趣，成为研究的热点。Fe-Al金属间化合物具有高强度、抗腐蚀、低成本、低密度等优异性能,有望在航空、化工核反应堆元件、熔炉高温装置、电磁元件等众多领域获得应用。由于Fe-Al金属间化合物的熔点高,用熔炼法制备比较困难,并且,熔炼中材料容易产生成分偏析,用熔铸法制得的金属间化合物存在中温低塑区,加工性能差;用沉积方法可以得到薄膜,不易得到实用的块体材料;化学反应合成因反应剂的加入,需要分离与提纯。相比之下粉末冶金方法具有易于控制微观结构、成分均匀、无偏析、晶粒细小、可以通过添加合金元素或弥散硬质粒子进行弥散强化等一系列优点,并且可以制备实用的块体结构材料,可实现近净成形,后处理也相对简单。 近代粉末冶金从1910年制造钨丝算起,已有近百年的发展历史。1926年与1930年硬质合金和青铜多孔轴承相继出现,30年代中期又产生了铁基多孔轴承、铁基机械零件、磁性材料及电工合金等多种粉末冶金制品,并确立以混合料制备、成形和烧结为主体的典型粉末冶金工艺。40年代以来,制造出现代工业生产所需的各种金属材料,大量生产了各种各样的产品。随着新粉末冶金技术和设备如SHS、SPS等的出现,其应用领域也在不断扩大。 尽管对Fe-Al金属间化合物及其复合材料的研究已有不少报道,但综合描述其用粉末冶金法制备的报道尚不多见,然而,全面了解有关方法及其特点,根据已有条件和需要进行相关材料的制备是必要的。据此,本文对其进行归纳与概述,以提供一个综合的信息参考。 1 用金属代替法制备fe-al金属化合物 制备Fe-Al的粉末冶金方法主要有无压烧结、机械合金化、热压烧结、热等静压、自蔓延高温合成、电场辅助烧结等等。 1.1 烧结体膨胀稳定机理 Fe-Al金属间化合物的熔点和烧结温度很高,通常采用反应烧结方法,利用混合粉末反应放热,提供烧结所需的热量,降低烧结的温度。王兴庆等将Fe粉和Al粉压制成压坯,进行反应烧结,得到的产物有大量孔隙,分析其原因,是因为Fe-Al反应时Fe、Al之间扩散速度相差较大,由于科肯塔尔效应容易形成孔隙,且反应放热量较小不利于烧结。采取将压坯轧制然后烧结和添加Ni元素的方法,得到了理论密度98%的烧结制品。Kang等研究了反应烧结Fe-Al的膨胀行为,认为烧结体膨胀与多孔现象和Fe2Al5相的转变有关,快速释放的热量也有一定的作用。Gedevanishvili等用Fe+Al元素粉末无压烧结,采用小于0.5℃/min和大于1℃/min的两种加热速率,发现低加热速率致密度要高一些,并且得到了94.5%理论密度的FeAl。而Xydas等在采用Fe2Al5/FeAl2预合金粉和Fe元素粉的混合物瞬时液相烧结制备Fe3Al时发现,升温速率大于150℃/min时出现致密化,产生瞬时液相烧结是其重要原因。50%Fe和50% Fe2Al5/FeAl2粉的平均粒径为5.67μm,在250℃/min的升温速率下,得到92%致密度的Fe3Al烧结产物。 1.2 纳米fe-al复合结构的制备 Benjamin于20世纪70年代发明的机械合金化(MA)方法是一种材料合成的新技术,为纳米材料的制备找到了一条实用化途径,引起了研究者们浓厚的兴趣。Charlot等用X射线衍射方法研究了Fe-Al系统MA过程,其一般可分为以下5个阶段:①Fe、Al金属颗粒在球磨初期被压平,形成Fe、Al的层状结构;②层状结构的Fe、Al之间发生冷焊;③Fe、Al复合结构不断细化和卷曲,形成螺旋状结构;④愈合和断裂达到平衡,颗粒尺寸保持稳定;⑤Fe、Al粉末混合均匀,在原子水平产生反应,形成具有纳米结构的非平衡产物。 依Al含量的不同,Fe-Al系粉体MA可形成过饱和固溶体、金属间化合物及非晶等不同的产物。研究者们发现,一般Fe- Al粉体MA并不能得到金属间化合物Fe3Al和FeAl,而是得到Fe(Al)固溶体,只有在随后的热处理中才能转变成相应的金属间化合物。郝春成等用氢电弧等离子体法制备纳米Fe粉和Al粉,进行球磨,球磨产物在400℃、600℃真空退火1h,得到纳米Fe-Al金属间化合物。MA制备的Fe-Al纳米晶金属间化合物具有高密度的位错和细小的晶粒,减小了原子扩散距离,降低了烧结温度;此外,不同尺寸的颗粒在烧结过程中都能充分填充空隙,更加有助于致密化。人们通常在Fe-Al烧结之前对粉末进行MA处理,这是一种活化处理的方法,因此,很多研究者们将MA称为机械活化(Mechanical activate)。 1.3 力学