Cu添加对Fe-Ni-P合金微观组织结构及性能的影响

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具有体心立方结构(BCC)的Fe-Ni基合金是一种具有马氏体转变的典型高强铁基合金系统,其在精密传动部件和电磁设备中都有广泛的应用。然而,具有单相结构的传统Fe-Ni二元合金难以在其强度上取得突破,这使得在Fe-Ni基合金的研究中出现设计多组元多物相的策略。在前期研究的基础上,本论文拟利用结合Ni-P化学镀和半液相烧结(SLPS)的方法开发了一种新型高强度Fe-Ni-P-Cu合金。首先,为实现Cu掺杂对Fe-Ni-P合金的力学性能的强化,通过纳米Cu粉与化学镀制备的Fe-Ni-P复合粉体的机械球磨获得Fe-Ni-P-Cu混合粉体。Fe-Ni-P-Cu合金在真空环境下通过950oC保温30min的半液相烧结制备。详细研究了不同的Cu含量对Fe-Ni-P-Cu合金的微观结构和力学性能的影响。研究结果发现在L+α双相区的低温烧结可以避免脆性磷共晶体的产生。Cu的掺杂有效改善了Fe-Ni-P合金的硬度和强度,含2wt.%Cu的合金显微维氏硬度最高达到371HV。其次,为在Fe-Ni-P-Cu合金中获得单相α-(Fe,Ni)基体,通过调节化学镀参数改变了Fe-Ni-P复合粉体中Ni-P镀层的比重。Fe-Ni-P-Cu合金在大气环境下采用950oC保温20min的快速半液相烧结制备,并在空气中冷却。详细研究了不同Ni-P含量对烧结后合金的微观结构和力学性能的影响。研究结果发现粉体中适量的Ni-P含量(25.3wt%)有助于烧结过程中的充分扩散和界面的长大。Fe-25.3wt.%(Ni-P)-Cu合金可以获得最佳的硬度(465.4HV)、抗压强度(1920MPa)和压缩屈服强度(1223MPa)。随后,为消除超细粉体在烧结过程中的团聚现象,一种结合Fe-Cu置换反应和Ni-P化学镀的新型方法被用于制备Fe-Cu-Ni-P多层复合粉体。Fe-Cu-Ni-P合金在大气环境下通过950oC保温30min的微压半液相烧结工艺制备。详细研究了Cu含量对Fe-Cu-Ni-P合金的微观结构和力学性能的影响。研究结果发现过量的Cu中间层(>10wt.%)在烧结过程中会阻碍块体(Fe,Ni)3P相的析出,而适量的Cu中间层有助于Fe-1wt.%Cu-Ni-P合金获得优异的抗压强度(2323MPa)和屈服强度(1516MPa)。基于先前力学性能的实验结果,表征了Cu析出物在Fe-Ni-P-Cu多元合金中细小弥散的分布特征。实验结果发现Cu析出物引起的合金屈服强度增量与计算结果有很好的一致性,Ni元素能够通过降低Cu析出物的临界形核功来促进形核,而P元素能够通过形成ε-Cu3P相来促进Cu析出物从G.P.区向ε-Cu相的转变。
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