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Fe3Al基金属间化合物高温合金

/Fe3Al based intermetallic compound superalloy/
条目作者郭建亭

郭建亭

最后更新 2022-12-23
浏览 131
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以Fe3Al金属间化合物为基的高温合金

英文名称
Fe3Al based intermetallic compound superalloy
所属学科
材料科学与工程

Fe3Al具有DO3型的面心立方有序结构,熔点较高(1540℃),比重较小(6.72克/厘米3),在高温氧化硫化环境中可以形成保护层,其强度和抗氧化、抗腐蚀性能比耐热不锈钢好,而且价格低廉,因而应用范围比NiAl基金属间化合物高温合金TiAl基金属间化合物高温合金更为广泛。但室温塑性和高温强度低是限制其使用的主要因素。

许多合金元素对Fe3Al基金属间化合物高温合金的力学性能产生影响。铬是改善室温塑性的有效元素,加入2at%~6at%(at%为原子百分数)的铬,可使Fe3Al的室温塑性从4%提高到8%,断裂方式由解理断裂变为解理和沿晶混合断裂。铌在Fe3Al中溶解度很低,加入少量铌会形成Fe2Nb沉淀强化。Fe-25Al-2Nb合金经1300℃淬火,再在700℃时效8小时,析出L21共格相,产生Fe2Nb沉淀强化,使屈服强度提高50%,加入锆和钛也会产生类似作用。硼对Fe3Al晶粒细化很有效,其他元素如铈、硫、硅、锆和稀土金属也有细化作用,但作用有限。钼在高温有阻碍晶粒长大的作用。加入0.5wt%(wt%为质量百分数)TiB2可以控制晶粒尺寸,提高力学性能。硅、钽和钼也可明显提高Fe3Al的屈服强度,但使Fe3Al塑性显著降低。镁可以提高Fe3Al室温拉伸塑性,0.002%镁可使Fe3Al室温的延伸率和面缩率提高1倍,也使抗张强度和屈服强度提高21%~24%。同时还可大幅度提高530℃和850℃塑性。由于镁强烈偏聚于晶界,可达4.1%,偏聚因子达200。镁在晶界偏聚,提高了晶界协调晶内变形的能力,使裂纹不易在Fe3Al金属间化合物晶界产生,有利于室温塑性提高。

Fe3Al基金属间化合物高温合金力学性能主要特点是出现反常屈服强度峰。屈服强度从300℃开始,随温度升高而增大,在550℃左右达到峰值,后随温度升高而急剧下降。Fe3Al屈服强度的这种反常温度关系发生在23at%~32at%铝的成分范围。DO3的Fe3Al屈服强度在300~550℃的反常增加,与长程有序度由0.8降低至0相对应,屈服强度的增加是由于超点阵位错与有序点阵交互作用的结果,温度愈高,有序度愈低,超位错运动愈难,屈服强度愈高;到550℃,有序度降为0,屈服强度达到峰值;更高温度屈服强度的降低,是单根位错与部分有序点阵交互作用的结果。

Fe3Al基金属间化合物高温合金可以采用真空感应炉熔炼,在1000~1250℃自由锻开坯,获得板坯或棒坯。利用棒坯可在1000~1250℃下采用传统的热穿管工艺制取长为1米、壁厚约4毫米的无缝钢管。利用热轧(850~1000℃)、温轧(500~650℃)工艺可对板坯进行热加工、温加工,再结合热机械处理。Fe3Al基金属间化合物高温合金的室温拉伸延伸率可保持在10%以上,屈服强度高于400兆帕。

Fe3Al合金具有良好的中温力学性能和抗氧化、抗腐蚀性能,其价格低廉的优点,在汽车工业和能源工业等领域具有应用前景。

  • 张永刚,韩雅芳,陈国良,等.金属间化合物结构材料.北京:国防工业出版社,2001.

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