【摘 要】
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目前在航空航天、化学工业生产、汽车等研究领域,在高温腐蚀性环境下,许多输出动力的零部件常常会因为高温氧化以及腐蚀造成相当大的经济损失,所以还要不断加强应用基础研究以及新技术的开发和利用。金属材料中铌、钨及钼基合金,本身具有良好的耐铝液熔蚀性能,但是其价格昂贵,限制了该材料的发展空间。金属间化合物具有较好的耐铝液腐蚀性能,但其固有的脆性大。陶瓷材料拥有突出的耐铝液熔蚀性能,但是抗热震性差。金属基复合
【基金项目】
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国家自然科学基金(51865024);
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目前在航空航天、化学工业生产、汽车等研究领域,在高温腐蚀性环境下,许多输出动力的零部件常常会因为高温氧化以及腐蚀造成相当大的经济损失,所以还要不断加强应用基础研究以及新技术的开发和利用。金属材料中铌、钨及钼基合金,本身具有良好的耐铝液熔蚀性能,但是其价格昂贵,限制了该材料的发展空间。金属间化合物具有较好的耐铝液腐蚀性能,但其固有的脆性大。陶瓷材料拥有突出的耐铝液熔蚀性能,但是抗热震性差。金属基复合材料兼具了金属材料与陶瓷材料的优点,不仅耐铝液熔蚀性能突出,且自身具有较好的抗冲击性,是当前有良好应用前景的新材料。但是金属基复合材料还存在着制备困难,成本高,研究及应用较少的问题,所以就需要研究者们进行大量的耐铝液熔蚀实验,以此满足工业生产中应用的需求,也是当今研究的一大重要方向。本文以挤压铸渗技术制备的陶瓷颗粒增强Fe-Cr-B合金复合材料为研究对象,研究了Fe-Cr-B合金中不同的B、Cr含量,Ti C、Ti B2、Al2O3陶瓷增强颗粒及Ti Cp不同体积分数对Fe-Cr-B合金复合材料耐铝液熔蚀性能的影响,并对陶瓷颗粒增强Fe-Cr-B合金复合材料耐铝液熔蚀机理进行分析。主要研究结果如下:研究了不同B、Cr含量对Fe-Cr-B合金基体耐铝液熔蚀性能的影响。结果表明:当B含量为4.0~6.0wt%,Cr含量为14.0~23.0wt%时,在基体内部出现大量的析出相。当B含量增加,Cr含量不变时,硼化物形貌由团簇状逐渐向棒状及块状转变,硼化物的尺寸随B含量的增大而增大,B所起的作用大于Cr的作用。当B含量为5.0~6.0wt%,Cr含量为14.0~16.0wt%时,Fe-Cr-B合金耐铝液熔蚀性能最好。研究了Ti Cp、Al2O3p、Ti B2p对Fe-Cr-B合金复合材料耐铝液熔蚀性能的影响。结果表明:在静态750°C铝液中熔蚀24h后,Ti Cp/Fe-Cr-B合金复合材料的耐铝液熔蚀性最突出,分别是Al2O3p/Fe-Cr-B合金复合材料以及Ti B2p/Fe-Cr-B合金复合材料的2.6倍和3.2倍。Ti Cp/Fe-Cr-B合金复合材料的耐铝液熔蚀性能最好,其熔蚀失重速率为0.10mg·cm-2·h-1,且硬度值最高。并且经过热处理后,复合材料的耐铝液熔蚀性能有了很大的改善,是铸态的几倍,说明经过热处理的复合材料耐铝液熔蚀性能提高。研究了几种体积分数的Ti Cp/Fe-Cr-B合金复合材料耐铝液熔蚀性能。结果表明:复合材料中Ti Cp体积分数分别为60vol%、45vol%、30%vol%、25vol%和20vol%。当Ti Cp体积分数为30%时(25%到60%),复合材料的耐铝液熔蚀性能最突出,分别是体积分数为60%、45%、25%和20%以及合金基体的5.8倍、4.5倍、2.5倍、1.3倍和8倍。随着熔蚀时间不断增加,会发现其复合材料的熔蚀失重速率变得非常缓慢。陶瓷颗粒对于复合材料的耐铝液熔蚀性能起到很好的强化及保护作用,复合材料与铝原子接触发生反应,由于基体特殊的组织结构会先一步反应,陶瓷颗粒占据复合材料的部分位置,与铝原子反应会慢于基体,随着反应的进行会出现陶瓷颗粒被铝原子消耗,应力产生导致颗粒破碎变小,陶瓷颗粒与铝原子反应有新的产物产生,可以阻碍铝原子的扩散且熔蚀速率相对较慢,但随着反应的进行,它的支撑屏障作用也会逐渐被减弱。从复合材料表面到内部,复合材料表面层主要是Fe3Al相,复合材料内部为Al Fe3、Al Fe2相,且表面到内部Al浓度发生缓慢上升,而Fe、Cr和Ti浓度则相反,复合材料熔蚀表面到内部出现明显的分层现象,说明铝原子扩散到复合材料内部逐渐减少,随着铝原子的不断熔蚀,熔蚀深度不断增加。
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