Ni-Cr-Fe泡沫合金固相浸滲制備及高溫氧化行為研究.pdf

1、本文以航空航天結構材料為研究背景,以3D開孔泡沫Ni為基體,采用固體粉末包埋高溫固相擴散工藝,制備出一種開孔率高達90％以上的三維網狀結構的Ni-Cr-Fe泡沫合金。同時,為了進一步提高Ni-Cr-Fe泡沫合金的抗氧化性能,采用兩步固體粉末包埋法在Ni-Cr-Fe泡沫合金表面上制備Al/Cr(Ce)雙層涂層。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜儀(EDS)、電子拉伸試驗機和顯微硬度計等分析測試手段,分別對Ni-Cr

2、-Fe泡沫合金及Al/Cr(Ce)涂層泡沫合金的微觀組織結構及性能進行了系統(tǒng)的研究,并探討了Ni-Cr-Fe泡沫合金及涂層泡沫合金的高溫氧化動力學及氧化機理。
　　利用固體粉末包埋法對開孔泡沫Ni表面進行Cr、Fe共滲處理,研究了Cr-Fe共滲層的顯微組織、相組成及成分分布。結果表明:Cr-Fe滲層的致密化程度以及滲層與基體的結合強度受到不同共滲溫度的影響。隨著共滲溫度增加,滲層與基體的結合強度增加,但是,共滲層表面顆粒團聚嚴重。

3、共滲溫度在1050℃時,Cr-Fe滲層表面均勻、致密且滲層與基體之間結合緊密。并且,1050℃時,隨著保溫時間延長,共滲層中外層和擴散層增厚曲線都近似遵循一次函數(shù)規(guī)律。
　　以Ni-Cr-Fe三元相圖模型為理論依據(jù),效仿Inconel690高溫合金的成分組成,實驗確定了1200℃時進行泡沫Ni-Cr-Fe高溫固相擴散合金化可以獲得組織穩(wěn)定,抗氧化性和抗熱疲勞性較好的單一奧氏體γ相。同時,在高溫擴散過程中,隨著均勻化時間的延長,網絲

4、骨架中Cr、Fe、Ni元素濃度梯度明顯平緩,1200℃/48h均勻化熱處理后,網絲骨架中Cr、Fe、Ni三種元素發(fā)生了充分的互擴散,達到合金成分均勻化,表面層主要由γ-(Fe,Ni)和γ-(Ni,Cr,Fe)固溶體組成。并且,Ni-Cr-Fe泡沫合金保持著初始泡沫Ni基體的三維網狀及骨架中空結構。
　　對Ni-Cr-Fe泡沫合金常溫及高溫力學性能進行測試,揭示了不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金組織與性能之間的關系。結果表明:N

5、i-Cr-Fe泡沫合金的常溫及高溫準靜態(tài)壓縮曲線呈現(xiàn)出典型韌性泡沫金屬形變特征。高溫擴散均勻化工藝有效提高Ni-Cr-Fe泡沫合金的壓縮強度,也使得塑性屈服平臺段的長度明顯增加。同時,隨著泡沫合金中Cr、Fe元素含量的增加,Ni-Cr-Fe泡沫合金材料的屈服強度和單位體積吸能量增大。與Gibson-Ashby經驗公式相比,均勻化后Ni-Cr-Fe泡沫合金的屈服強度和比強度比理想泡沫Ni明顯提高,這主要是Cr、Fe元素起到較好的固溶強化作

6、用。尤其,Ni-36Cr-24Fe泡沫合金表觀出最高的屈服強度和單位體積吸能。
　　對Ni-Cr-Fe泡沫合金在800-1000℃條件下的抗高溫氧化性能進行了研究,揭示了開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金高溫氧化動力學、熱力學及氧化機理。結果表明:Ni-Cr-Fe泡沫合金具有比泡沫Ni基體和Ni-25Cr泡沫合金更高的抗高溫氧化性能,其氧化曲線符合拋物線規(guī)律。隨著泡沫合金中Cr、Fe元素含量的增加,Ni-Cr-Fe泡沫合金抗氧化性能增加

7、。同時,隨著氧化溫度從800℃升高至1000℃,Ni-Cr-Fe泡沫合金的氧化層由Cr2O3、NiFe2O4和NiCr2O4的混合氧化物轉變成致密的單一Cr2O3層,有效增強Ni-Cr-Fe泡沫合金的抗氧化性能。
　　通過兩步固體粉末包埋法在Ni-Cr-Fe泡沫合金表面制備Al/Cr(Ce)雙層涂層,揭示了Al/Cr(Ce)雙層涂層對Ni-Cr-Fe泡沫合金高溫氧化性能及力學性能的影響,給出了Al/Cr(Ce)涂層泡沫合金氧化機理

8、以及氧化后變形行為。結果表明:Al/Cr(Ce)雙層涂層結構連續(xù)、致密,大量的Ce原子富集在外層,有效阻礙了Al原子的向內擴散以及基體合金原子沿晶界向外擴散。氧化后,Al/Cr(Ce)涂層泡沫合金的氧化動力學曲線遵循拋物線規(guī)律,Al/Cr(Ce)涂層表面容易形成致密的Al2O3層,并且,少量的Ce有效提高氧化層與基體的附著力。同時,與Ce–Cr涂層和Al/Cr涂層相比,氧化后Al/Cr(Ce)涂層泡沫合金的準靜態(tài)壓縮曲線表現(xiàn)出相對較高的