Fe-Al金属间化合物多孔材料的研究

本论文提出采用Fe/Al元素混合粉末反应合成方法,利用Fe和Al元素之间的偏扩散在材料中产生的Kirkendall效应,和Al与Fe的反应合成来制备Fe-Al金属间化合物多孔材料,是继陶瓷和金属多孔材料之后对无机多孔材料的新扩展;同时,制备方法具有简单可控,成本低廉等特点,对开发金属间化合物多孔材料以及工业化应用等具有重要意义。 通过Fe/Al元素混合粉末的反应合成方法,制备了Fe-Al金属间化合物多孔材料,提出了三阶段粉末烧结工艺,并由此制备出具有良好近净成形性的Fe-Al金属间化合物多孔体,详细论述了制备过程及特点。采用多种测试手段表征了Fe-Al金属间化合物多孔材料的孔结构性能,并深入探讨了Fe-Al金属间化合物多孔材料的造孔机理。研究表明,Fe-Al多孔材料的造孔过程可分为四个阶段:Ⅰ.压制阶段所产生的粉末颗粒间隙孔的演变;Ⅱ.Al熔点以下基于Kirkendall效应所产生的Kirkendall孔隙;Ⅲ.液态Al反应消耗产生的孔隙;Ⅳ.最终相获得所经历的相变而导致的孔隙长大。建立了Fe-Al粉末扩散偶管体模型,并由此探讨了粉末体系中孔隙与基体之间的结构特征。 对孔结构性能及其影响因素进行了系统研究,并建立了制备工艺参数与孔结构性能之间的定量关系方程。粉末粒度是决定Fe-Al金属间化合物多孔材料最大孔径的主要因素之一,在18μm～125μm的粒度范围内,多孔体最大孔径dm与粉末粒径dp之间严格遵循dm=0.4·dp的直线变化规律。压制压力对Fe-Al金属间化合物多孔材料孔径的影响是通过压制过程对压坯粉末颗粒的塑性变形以及对压坯间隙孔的影响来实现的。Al含量是决定Fe-Al金属间化合物多孔材料孔隙度的主要因素之一,在20 wt%～45 wt%的Al含量范围内,Fe-Al金属间化合物多孔材料的孔隙度与Al含量之间遵循严格的直线递增规律。Fe-Al金属间化合物多孔材料的透气度K与开孔隙度θ和最大孔径dm之间严格满足Hagen-Poiseuille方程。建立了Fe-Al金属间化合物多孔材料的透气性能和孔结构性能参数之间统一的普适方程:K=Adm2θ,A=（2.32±0.05）×1011m-1kPa-1h-1。 Fe-Al金属间化合物多孔材料的孔结构控制可通过调节成形阶段和反应合成阶段的工艺参数得以实现。在成形阶段,可通过对原料粉末成分、粉末粒度和压制压力的调节进行孔结构控制。其中,孔隙度的值主要取决于Al组元的含量;体系最终产生的孔隙尺寸则依赖于成形坯体Al组元的颗粒尺寸。在反应合成阶段控制孔结构主要是通过调节孔隙形成的第Ⅱ阶段,即固态扩散反应阶段的反应温度和保温时间达到孔结构自主控制的目的。得到本制备条件下,Fe-Al金属间化合物多孔体中的开孔隙度θ和最大孔径dm与600℃保温时间t之间的定量关系表达式:θ=49.7-0.1t,dm=20.3-0.065t（60≤t≤240）。如果采用同时在成形阶段和反应合成阶段控制孔结构,则可实现Fe-Al金属间化合物多孔材料孔结构参数在较大范围内的调节。 定量研究了Fe-Al金属间化合物多孔材料的室温及高温力学性能。Fe-Al金属间化合物多孔材料的抗拉强度σb与孔隙度θ之间严格遵循巴尔申方程σb=σ0（1-θ）m。Fe-Al金属间化合物多孔材料的高温力学性能优异,由于空位“固溶”强化作用和塑性的提高,600℃的拉伸强度比室温提高～36.8%,800℃下仍可保存～10MPa的抗拉强度。 对Fe-Al金属间化合物多孔材料焊接性能的研究表明,采用自制的Cu-10wt%Sn粉末压坯为钎料,可使Fe-Al多孔材料获得良好的自体焊接和与不锈钢的异体焊接接头。自焊和异焊的抗拉强度分别达到75.0MPa和83.9Mpa,分别为Fe-Al多孔材料基体抗拉强度的81.5%和91.2%。Fe-Al金属间化合物多孔材料采用Cu-10wt%Sn为钎料进行真空焊接的焊接机理为钎料元素与焊接基体元素的互扩散与反应。Fe-Al多孔材料与不锈钢经焊接后,焊缝处扩散层的组织结构为:S-S+（Cu,Sn）/（Cu,Sn）/Cu9Al4+（Cu,Fe）+（Cu,Sn）/AlFe3+Al4Cu9+（Cu,Sn）,焊接强度薄弱面为钎料/Fe-Al结合面。Fe-Al多孔材料自焊后焊缝扩散层为（Cu,Sn）固溶体相与Cu-Sn金属间化合物共存的组织结构,焊接强度薄弱面为焊缝中心区域。采用激光焊接,Fe-Al多孔材料的白焊可获得优良的焊缝,抗拉强度基本等同于Fe-Al多孔材料基体强度。而Fe-Al多孔材料与不锈钢的异焊焊缝中的部分区域偶有裂纹和气孔存在。经测试,激光焊接Fe-Al金属间化合物多孔材料与不锈钢异焊的抗拉强度可达86.3MPa,约为Fe-Al多孔材料基体强度的93.2%。