4鋁化物和硅化物第四講ppt課件

1、合金相與相變合金相與相變易丹青易丹青 教授教授材料科學與工程學院材料科學與工程學院5、鋁化物介紹、鋁化物介紹FeAl、Fe3Al、NiAl、Ni3Al、TiAl、Ti3Al等。等。FeAl和和Fe3Al金屬間化合物金屬間化合物5、鋁化物介紹、鋁化物介紹5、鋁化物介紹、鋁化物介紹FeAl和和Fe3Al金屬間化合物的結構金屬間化合物的結構DO3, Fe3SiB2, FeAl Al Fe5、鋁化物介紹、鋁化物介紹FeAl和和Fe3Al金屬間化合物的物理性質金屬間化合物的物理性質 FeAl Fe3Al熔點熔點 1250 1540 密度密度 5.56g/cm3 6.

2、72g/cm3 彈性模量彈性模量 261GPa 141GPa構造構造 B2 (bcc) DO3 (bcc) 5、鋁化物介紹、鋁化物介紹FeAl和和Fe3Al金屬間化合物的力學性能金屬間化合物的力學性能實驗環(huán)境實驗環(huán)境伸長率伸長率(%)屈服強度屈服強度(MPa)抗拉強度抗拉強度(MPa)Fe3Al空氣空氣4.1387559真空真空12.8387851氬氣氬氣+氫氣氫氣8.4385731氧氣氧氣12.0392867水蒸氣水蒸氣2.1387475FeAl空氣空氣2.2360412真空真空5.4352501氬氣氬氣+氫氣氫氣6.2379579氧氣氧氣17.6360805水蒸氣水蒸氣2.43684305

3、、鋁化物介紹、鋁化物介紹FeAl金屬間化合物的顯微組織金屬間化合物的顯微組織燒結態(tài)燒結態(tài)FeAl金屬間化合物經(jīng)金屬間化合物經(jīng)80%變形后的光學顯微組織變形后的光學顯微組織氧化物顆粒彌散增氧化物顆粒彌散增強強FeAl金屬間化合金屬間化合物的物的TEM顯微組織顯微組織退火退火24h后氧化物顆粒彌散增強后氧化物顆粒彌散增強FeAl金金屬間化合物的屬間化合物的TEM顯微組織顯微組織Fe3Al金屬間化合物熱壓燒結后的顯微組織金屬間化合物熱壓燒結后的顯微組織, TEM, (110)衍射環(huán)衍射環(huán)5、鋁化物介紹、鋁化物介紹Fe3Al金屬間化合物熱壓燒結后的顯微組織金屬間化合物熱壓燒結后的顯微組織(BSE)5、

4、鋁化物介紹、鋁化物介紹FeAl和和Fe3Al金屬間化合物的制備方法金屬間化合物的制備方法真空感應熔煉；真空感應熔煉；真空電弧熔煉；真空電弧熔煉；空氣感應熔煉空氣感應熔煉+電渣熔煉；電渣熔煉；元素混合法元素混合法+熱鍛造、熱擠壓等；熱鍛造、熱擠壓等；機械合金化法機械合金化法+熱壓燒結等；熱壓燒結等；燃燒合成法燃燒合成法+熱機械處理等；熱機械處理等；5、鋁化物介紹、鋁化物介紹FeAl和和Fe3Al金屬間化合物的用途金屬間化合物的用途 FeAl系金屬間化合物是介于高溫合金與陶瓷系金屬間化合物是介于高溫合金與陶瓷之間的一種新型高溫材料，作為新一代中高溫之間的一種新型高溫材料，作為新一代中高溫結構材料和

5、不銹鋼替代材料具有廣泛的應用前結構材料和不銹鋼替代材料具有廣泛的應用前景，可用于航空航天、汽車工業(yè)、能量轉換系景，可用于航空航天、汽車工業(yè)、能量轉換系統(tǒng)、過濾材料等領域。統(tǒng)、過濾材料等領域。NiAl和和Ni3Al金屬間化合物金屬間化合物5、鋁化物介紹、鋁化物介紹5、鋁化物介紹、鋁化物介紹 Al NiNiAl和和Ni3Al金屬間化合物的結構金屬間化合物的結構B2, NiAlL12, Ni3Al Ni Al5、鋁化物介紹、鋁化物介紹NiAl和和Ni3Al金屬間化合物的性能特點金屬間化合物的性能特點 NiAl Ni3Al 熔點熔點 1638 1390 密度密度 5.86g/cm3 7.59g/cm3

6、 彈性模量彈性模量 294GPa 179GPa 晶體結構晶體結構 B2 L12Ni3Al金屬間化合物具有良好的室溫綜合力學性能，金屬間化合物具有良好的室溫綜合力學性能，高溫下具有優(yōu)異的蠕變性能和抗氧化性能。如高溫下具有優(yōu)異的蠕變性能和抗氧化性能。如Ni3Al+0.1%B、Ni3Al+B+Hf+Cr。Ni3Al合金的屈服強合金的屈服強度與其它商用合金屈度與其它商用合金屈服強度的比較服強度的比較5、鋁化物介紹、鋁化物介紹NiAl金屬間化合物的顯微組織金屬間化合物的顯微組織NiAl金屬間化合物的光學顯微金屬間化合物的光學顯微組織組織Ni48.75Al48.75Fe2.5金屬金屬間化合物的光學顯微組織

7、間化合物的光學顯微組織NiAl-9Mo金屬間化合物的共金屬間化合物的共晶顯微組織晶顯微組織W.L. Ren, J.T. Guo and G.S. Li et al. Materials Letters, 58(2019): 1272-1276G.P. Cammarota, A. Casagrande. Journal of Alloys and Compounds, 381(2019): 208-2145、鋁化物介紹、鋁化物介紹NiAl金屬間化合物的顯微組織金屬間化合物的顯微組織高溫拉伸后高溫拉伸后NiAl-9Mo金屬間化合物的透射電鏡顯微組織。金屬間化合物的透射電鏡顯微組織。(a)710；(

8、b)720；(c)730；(d)760。在韌脆轉變溫度。在韌脆轉變溫度(約為約為720)以及高于韌脆轉變溫度變形后，以及高于韌脆轉變溫度變形后，位錯密度顯著增加，直至形成亞晶。位錯密度顯著增加，直至形成亞晶。W.L. Ren, J.T. Guo and G.S. Li et al. Materials Letters, 58(2019): 1272-12765、鋁化物介紹、鋁化物介紹Ni3Al金屬間化合物的顯微組織金屬間化合物的顯微組織Ni3Al的定向凝固光學顯微組織的定向凝固光學顯微組織Ni3Al金屬間化合物中新晶粒的形核金屬間化合物中新晶粒的形核I. Schindler, J. Macha

9、cek and J. Kliber et al. Journal of Materials Processing Technology, 60(2019): 575-580I. Schindler, Josef Machacek, Marlene Spittel. Intermetallics, 7(2019):83-875、鋁化物介紹、鋁化物介紹Ni3Al金屬間化合物的顯微組織金屬間化合物的顯微組織Ni3Al多晶的再結晶區(qū)域多晶的再結晶區(qū)域Ni3Al多晶的多晶的Kear-Wilsdorf位錯結和反相疇界位錯結和反相疇界(APB)Ni3Al多晶的亞晶界和位錯多晶的亞晶界和位錯網(wǎng)網(wǎng)P. Jozw

10、ik, E. Jezierska, Z. Bojar. Materials Chemistry and Physics, 81(2019): 448-4515、鋁化物介紹、鋁化物介紹NiAl系金屬間化合物的制備方法系金屬間化合物的制備方法感應熔煉及定向凝固技術感應熔煉及定向凝固技術感應熔煉及水冷銅坩堝凝固感應熔煉及水冷銅坩堝凝固真空電弧熔煉真空電弧熔煉機械合金化機械合金化+熱壓燒結、冷壓燒結、熱等熱壓燒結、冷壓燒結、熱等靜壓靜壓反應燒結反應燒結自蔓燃高溫合金反應自蔓燃高溫合金反應快速凝固技術快速凝固技術噴射沉積技術噴射沉積技術5、鋁化物介紹、鋁化物介紹NiAl系金屬間化合物的用途系金屬間化合物

11、的用途渦輪發(fā)動機及噴氣式發(fā)動機葉片渦輪發(fā)動機及噴氣式發(fā)動機葉片先進熱力發(fā)動機先進熱力發(fā)動機石油化工工業(yè)石油化工工業(yè)高溫模具高溫模具鋼板坯高溫熱處理爐的轉輥鋼板坯高溫熱處理爐的轉輥切削刀具切削刀具高溫涂層系統(tǒng)高溫涂層系統(tǒng)5、鋁化物介紹、鋁化物介紹NiAl系金屬間化合物的用途系金屬間化合物的用途5、鋁化物介紹、鋁化物介紹TiAl和和Ti3Al金屬間化合物金屬間化合物5、鋁化物介紹、鋁化物介紹TiAl和和Ti3Al金屬間化合物的結構金屬間化合物的結構L10, TiAlDO19, Ti3Al5、鋁化物介紹、鋁化物介紹TiAl系金屬間化合物的性能特點系金屬間化合物的性能特點性能性能Ti3AlTiAlNi

12、基超合金基超合金密度密度g/cm34.1-4.73.7-3.98.3模量模量MPa100-145160-176206屈服強度屈服強度MPa700-900400-650-拉伸強度拉伸強度MPa800-1140450-800-蠕變極限蠕變極限76010001090氧化極限氧化極限6509001090室溫韌性室溫韌性2-101-43-5高溫韌性高溫韌性10-2010-6010-205、鋁化物介紹、鋁化物介紹TiAl系金屬間化合物的三種典型顯微組織系金屬間化合物的三種典型顯微組織類型一：類型一：(a)單相組織單相組織Al含量含量52%，單相區(qū)處理單相區(qū)處理5、鋁化物介紹、鋁化物介紹TiAl系金屬間化合

13、物的顯微組織系金屬間化合物的顯微組織類型二：類型二：(b)雙相組織雙相組織Al含量在含量在46-50%之間，之間，+兩相區(qū)兩相區(qū)處理處理5、鋁化物介紹、鋁化物介紹TiAl系金屬間化合物的顯微組織系金屬間化合物的顯微組織類型三：類型三：(c)全片層組織全片層組織Al含量含量49%，單相區(qū)處理單相區(qū)處理5、鋁化物介紹、鋁化物介紹TiAl系金屬間化合物的制備方法系金屬間化合物的制備方法真空電弧熔煉；真空電弧熔煉；真空自耗電弧熔煉；真空自耗電弧熔煉；真空感應熔煉；真空感應熔煉；機械合金化機械合金化+熱壓及熱等靜壓熱壓及熱等靜壓反應燒結工藝反應燒結工藝粉末注射成形工藝粉末注射成形工藝放電等離子燒結工藝放

14、電等離子燒結工藝5、鋁化物介紹、鋁化物介紹TiAl系金屬間化合物的用途系金屬間化合物的用途渦輪發(fā)動機壓氣機盤渦輪發(fā)動機壓氣機盤航天飛船的低密度部件航天飛船的低密度部件復合材料的基體如復合材料的基體如TiAl/SiC，TiAl/Nb）汽車發(fā)動機閥汽車發(fā)動機閥渦輪發(fā)動機轉子渦輪發(fā)動機轉子5、鋁化物介紹、鋁化物介紹5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2、Fe3Si、Nb5Si3、Mg2Si等等5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2金屬間化合物金屬間化合物5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2金屬間化合物的結構金屬間化合物的結構 Si Mo5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2金屬間化合物的物理性能金屬間化合

15、物的物理性能密度密度 6.24 g/cm3熔點熔點 2030彈性模量彈性模量 440 G Pa剪切模量剪切模量 191 G Pa泊松比泊松比 0.15熱導率熱導率 65 W/mk (room temperature) 30 W/mk ( 1400 )熱膨脹率熱膨脹率 7-10 10-6 -1(20-1400 )電阻率電阻率 15 生成熱生成熱 -131.8 kJ/mole5、硅化物介紹、硅化物介紹幾種不同取向的幾種不同取向的MoSi2單晶的屈服強度與溫度的關系單晶的屈服強度與溫度的關系5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2的強度與溫度的關系的強度與溫度的關系5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2基

16、材料直至基材料直至1600高溫下仍具有優(yōu)異高溫下仍具有優(yōu)異的抗氧化性能，表面形成的抗氧化性能，表面形成SiO2膜。膜。在在500-800會發(fā)生會發(fā)生“pesting現(xiàn)象?，F(xiàn)象。5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2金屬間化合物的微觀組織金屬間化合物的微觀組織MoSi2和和MoSi2-ZrO2的微觀組織的微觀組織5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2金屬間化合物的微觀組織金屬間化合物的微觀組織圖圖1 熔體快淬熔體快淬MoSi2-Nb-Hf-B合金合金的顯微組織的顯微組織MoSi2Mo5Si3圖圖2 熱壓熱壓MoSi2-Nb-Hf-B合金顯微組織合金顯微組織MoSi2Mo5Si35、硅化物介紹、硅化物

17、介紹MoSi2金屬間化合物的微觀組織金屬間化合物的微觀組織圖圖6. 維氏壓痕顯微照片及裂紋維氏壓痕顯微照片及裂紋 (a) MoSi2； (b) MoSi2-SiC復合材料復合材料5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2金屬間化合物的微觀組織金屬間化合物的微觀組織圖圖7. SEM裂紋擴展形貌裂紋擴展形貌 (a) MoSi2；(b) MoSi2-ZrO2 (穩(wěn)定化穩(wěn)定化)；(c) MoSi2-ZrO2 (未穩(wěn)定化未穩(wěn)定化)(a)(b)(c)5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2金屬間化合物的微觀組織金屬間化合物的微觀組織圖圖8. MoSi2-ZrO2復合材料中裂紋的復合材料中裂紋的TEM形貌形貌(a)

18、m-ZrO2顆粒附近的微裂紋；顆粒附近的微裂紋； (b) 穿過穿過Mo5Si3顆粒的微裂紋顆粒的微裂紋(a)(b)5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2金屬間化合物的微觀組織金屬間化合物的微觀組織透射電鏡明場像，透射電鏡明場像，MoSi2-1%Nb在在400壓縮變形壓縮變形0.5%的位錯亞結構。的位錯亞結構。透射電鏡明場像，透射電鏡明場像，MoSi2-1%Nb在在1200壓縮變形壓縮變形1%的位錯及滑移后的位錯環(huán)。的位錯及滑移后的位錯環(huán)。5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2金屬間化合物的制備方法金屬間化合物的制備方法粉末冶金法：注射成形、機械合金化、燃燒合成等粉末冶金法：注射成形、機械合金化、燃

19、燒合成等熔煉和鑄造工藝熔煉和鑄造工藝濺射、噴涂以及涂層制備工藝濺射、噴涂以及涂層制備工藝固態(tài)轉換反應固態(tài)轉換反應 Mo2C + 5Si = 2MoSi2 + SiC原位反應彌散相粒子生成技術原位反應彌散相粒子生成技術5、硅化物介紹、硅化物介紹MoSi2金屬間化合物的用途金屬間化合物的用途塊體材料塊體材料 主要用做電爐發(fā)熱元件、電子電力等耐熱、抗燒蝕高溫結構部主要用做電爐發(fā)熱元件、電子電力等耐熱、抗燒蝕高溫結構部件和器件。廣泛用于陶瓷、冶金、玻璃、汽車、化工、電子、電件和器件。廣泛用于陶瓷、冶金、玻璃、汽車、化工、電子、電力、軍工國防、航空航天等領域力、軍工國防、航空航天等領域 。 涂層涂層 1

20、、高溫合金和其他難熔金屬的耐熱抗氧化保護涂層材料；、高溫合金和其他難熔金屬的耐熱抗氧化保護涂層材料； 2、集成電路基片導電膜、觸頭以及柵極材料等；、集成電路基片導電膜、觸頭以及柵極材料等； 3、功能器件用電阻、紅外探測、太陽能電池等薄膜材料。、功能器件用電阻、紅外探測、太陽能電池等薄膜材料。MoSi2電爐加熱元件電爐加熱元件玻璃熔煉爐電極玻璃熔煉爐電極汽車火花塞抗氧化汽車火花塞抗氧化環(huán)狀側電極環(huán)狀側電極MoSi2金屬間化合物的用途金屬間化合物的用途5、硅化物介紹、硅化物介紹Fe3Si金屬間化合物金屬間化合物5、硅化物介紹、硅化物介紹Fe3Si金屬間化合物的結構金屬間化合物的結構DO3, e.g

21、. Fe3Si5、硅化物介紹、硅化物介紹Fe3Si金屬間化合物的顯微組織金屬間化合物的顯微組織真空電弧熔煉真空電弧熔煉Fe-22at%Si-0.25at%B合金變形合金變形50%后的顯微組織后的顯微組織(a)850, 應變速率應變速率410-4s-1; (b)900,應變速率應變速率410-4s-1; (c)900,應變速率應變速率510-4s-1; (d)變形前組織變形前組織5、硅化物介紹、硅化物介紹Fe3Si金屬間化合物的顯微組織金屬間化合物的顯微組織Fe3Si金屬間化合物高溫變形后的透射電金屬間化合物高溫變形后的透射電鏡顯微組織：動態(tài)再結晶與位錯運動鏡顯微組織：動態(tài)再結晶與位錯運動5、硅化物介紹、硅化物介紹Fe3Si金屬間化合物的制備方法金屬間化合物的制備方法電弧熔煉電弧熔煉+軋制工藝制備軋制工藝制備Fe3Si薄板薄板快速凝固工藝快速凝固工藝急冷制帶法急冷制帶法噴射成形法噴射成形法化學氣相沉積法化學氣相沉積法5、硅化物介紹、硅化物介紹Fe3Si金屬間化合物的用途金屬間化合物的用途電力電訊業(yè)中的變形壓器、變換器、高頻電力電訊業(yè)中的變形壓器、變換器、高頻扼流線圈扼流線圈磁頭材料：磁頭材料：Sendust合金合金電阻材料電阻材料5、硅化物介紹、硅化物介紹Nb5Si3金屬間化合物金屬間化合物5、硅化物介紹、硅化物介紹Nb5Si3金屬間化合物的結構金屬間化合物的結構 Nb S