退火时间对块体纳米晶Fe3Al材料组织性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料国家重点实验室 作者:李翠玲

  在800℃下对铝热反应法制备的含10%Ni的纳米晶Fe3Al材料进行了不同时间的等温热处理,保温时间分别为4、8、12、16、20、24和48 h。利用XRD和TEM分析了不同保温时间下材料的平均晶粒尺寸,并对硬度进行了测试,研究了晶粒尺寸变化趋势以及硬度变化规律,探讨了两者之间的变化关系。结果表明:材料的平均晶粒尺寸在不同时间的退火处理后,呈现出两次减小,两次增大,最后趋于平稳的过程。晶粒尺寸在4 h等温处理后达到最小值16 nm,在24 h等温处理后达到最大值35 nm。存在一个临界值dc=20 nm,当晶粒尺寸小于dc时,维式硬度和晶粒尺寸之间满足反Hall-Petch关系,当晶粒尺寸大于dc时,两者之间呈现正的Hall-Petch关系。16 h退火处理后维氏硬度最大为490 HV,24 h退火后维氏硬度最小为410 HV。

  近年来,金属间化合物作为一类新型材料受到广泛的关注[1]。Fe3Al 是金属间化合物中的一种,这类材料具有密度小,弹性模量高,抗氧化,耐腐蚀等优点,是一种很有应用前途的材料[2-4],特别是它以Fe 和Al 这两种元素作为主要原料,与其他高温合金相比成本上具有很大的优势[5-7]。另外,由于具有良好的耐高温、抗腐蚀性能,Fe3Al 金属间化合物还将有可能成为航空、航天、交通运输、化工、机械等许多工业部门的重要结构材料[8-10],因此具有重大的应用前景。然而,Fe3Al 金属间化合物在环境温度下的延展性很低,这成为限制其得到广泛应用的主要问题。纳米晶化可使Fe3Al 材料的本征脆性得到改善[11]。

  但由于传统的制备块体纳米晶Fe3Al 的方法成本高,工序复杂,而且制得的块体Fe3Al 材料的性能不佳,从而严重阻碍了块体纳米晶Fe3Al 的工业化生产及应用。

  铝热反应熔化方法是制备纳米晶Fe3Al 材料的一种比较实用的方法[12-14],该方法工艺简单,成本低廉,能耗低,同时它还具有放大工业化生产的潜力。

  本文即采用铝热法制备了含10% Ni 的纳米晶Fe3Al材料,并在800 ℃下对制得的材料进行了不同时间的等温热处理,以研究退火时间对材料组织和性能的影响,探讨了晶粒尺寸以及维式硬度之间的变化关系,为等温处理调控块体纳米晶Fe3Al 材料的组织和性能提供理论依据。

  1) 在不同的热处理条件下,材料在不同晶面上发生了不同程度的择优生长;

  2) 退火后材料的平均晶粒尺寸整体上有增大趋势,并经历了两次减小,两次增大,最后趋于稳定的过程,晶粒尺寸在4 h 等温处理后达到最小值16 nm,在24 h 等温处理后达到最大值35 nm;

  3) 对于铝热法制备的含10% Ni 的块体纳米晶Fe3Al 材料来说,存在一个临界晶粒尺寸dc = 20 nm,当晶粒尺寸小于dc时,维式硬度和晶粒尺寸之间满足反Hall-Petch 关系,当晶粒尺寸大于dc时,两者之间呈现正的Hall-Petch 关系。另外,维式硬度在16 h退火处理后达到最大值490 HV,24 h 退火后达到最小值410 HV。

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