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1、1,合金相与相变易丹青 教授材料科学与工程学院,2,5、铝化物介绍,FeAl、Fe3Al、NiAl、Ni3Al、TiAl、Ti3Al等。,3,FeAl和Fe3Al金属间化合物,5、铝化物介绍,4,5、铝化物介绍,FeAl和Fe3Al金属间化合物的结构,DO3,Fe3Si,B2,FeAl,Al Fe,5,5、铝化物介绍,FeAl和Fe3Al金属间化合物的物理性质,FeAl Fe3Al熔点 1250 1540 密度 5.56g/cm3 6.72g/cm3 弹性模量 261GPa 141GPa结构 B2(bcc)DO3(bcc),6,5、铝化物介绍,FeAl和Fe3Al金属间化合物的力学性能,7,5
2、、铝化物介绍,FeAl金属间化合物的显微组织,烧结态FeAl金属间化合物经80%变形后的光学显微组织,氧化物颗粒弥散增强FeAl金属间化合物的TEM显微组织,退火24h后氧化物颗粒弥散增强FeAl金属间化合物的TEM显微组织,8,Fe3Al金属间化合物热压烧结后的显微组织,TEM,(110)衍射环,5、铝化物介绍,Fe3Al金属间化合物热压烧结后的显微组织(BSE),9,5、铝化物介绍,FeAl和Fe3Al金属间化合物的制备方法,真空感应熔炼；真空电弧熔炼；空气感应熔炼+电渣熔炼；元素混合法+热锻造、热挤压等；机械合金化法+热压烧结等；燃烧合成法+热机械处理等；,10,5、铝化物介绍,FeAl
3、和Fe3Al金属间化合物的用途,FeAl系金属间化合物是介于高温合金与陶瓷之间的一种新型高温材料，作为新一代中高温结构材料和不锈钢替代材料具有广泛的应用前景，可用于航空航天、汽车工业、能量转换系统、过滤材料等领域。,11,NiAl和Ni3Al金属间化合物,5、铝化物介绍,12,5、铝化物介绍,Al Ni,NiAl和Ni3Al金属间化合物的结构,B2,NiAl,L12,Ni3Al,13,5、铝化物介绍,NiAl和Ni3Al金属间化合物的性能特点,NiAl Ni3Al 熔点 1638 1390 密度 5.86g/cm3 7.59g/cm3 弹性模量 294GPa 179GPa 晶体结构 B2 L1
4、2,Ni3Al金属间化合物具有良好的室温综合力学性能，高温下具有优异的蠕变性能和抗氧化性能。如Ni3Al+0.1%B、Ni3Al+B+Hf+Cr。,14,Ni3Al合金的屈服强度与其它商用合金屈服强度的比较,15,5、铝化物介绍,NiAl金属间化合物的显微组织,NiAl金属间化合物的光学显微组织,Ni48.75Al48.75Fe2.5金属间化合物的光学显微组织,NiAl-9Mo金属间化合物的共晶显微组织,W.L.Ren,J.T.Guo and G.S.Li et al.Materials Letters,58(2004):1272-1276G.P.Cammarota,A.Casagrande.
5、Journal of Alloys and Compounds,381(2004):208-214,16,5、铝化物介绍,NiAl金属间化合物的显微组织,高温拉伸后NiAl-9Mo金属间化合物的透射电镜显微组织。(a)710；(b)720；(c)730；(d)760。在韧脆转变温度(约为720)以及高于韧脆转变温度变形后，位错密度显著增加，直至形成亚晶。,W.L.Ren,J.T.Guo and G.S.Li et al.Materials Letters,58(2004):1272-1276,17,5、铝化物介绍,Ni3Al金属间化合物的显微组织,Ni3Al的定向凝固光学显微组织,Ni3Al金
6、属间化合物中新晶粒的形核,I.Schindler,J.Machacek and J.Kliber et al.Journal of Materials Processing Technology,60(1996):575-580I.Schindler,Josef Machacek,Marlene Spittel.Intermetallics,7(1999):83-87,18,5、铝化物介绍,Ni3Al金属间化合物的显微组织,Ni3Al多晶的再结晶区域,Ni3Al多晶的Kear-Wilsdorf位错结和反相畴界(APB),Ni3Al多晶的亚晶界和位错网,P.Jozwik,E.Jezierska,
7、Z.Bojar.Materials Chemistry and Physics,81(2003):448-451,19,5、铝化物介绍,NiAl系金属间化合物的制备方法,感应熔炼及定向凝固技术感应熔炼及水冷铜坩埚凝固真空电弧熔炼机械合金化+热压烧结、冷压烧结、热等静压反应烧结自蔓燃高温合金反应快速凝固技术喷射沉积技术,20,5、铝化物介绍,NiAl系金属间化合物的用途,涡轮发动机及喷气式发动机叶片先进热力发动机石油化工工业高温模具钢板坯高温热处理炉的转辊切削刀具高温涂层系统,21,5、铝化物介绍,NiAl系金属间化合物的用途,22,5、铝化物介绍,TiAl和Ti3Al金属间化合物,23,5、铝
8、化物介绍,TiAl和Ti3Al金属间化合物的结构,L10,TiAl,DO19,Ti3Al,24,5、铝化物介绍,TiAl系金属间化合物的性能特点,25,5、铝化物介绍,TiAl系金属间化合物的三种典型显微组织,类型一：(a)单相组织Al含量52%，单相区处理,26,5、铝化物介绍,TiAl系金属间化合物的显微组织,类型二：(b)双相组织Al含量在46-50%之间，+两相区处理,27,5、铝化物介绍,TiAl系金属间化合物的显微组织,类型三：(c)全片层组织Al含量49%，单相区处理,28,29,30,5、铝化物介绍,TiAl系金属间化合物的制备方法,真空电弧熔炼；真空自耗电弧熔炼；真空感应熔炼
9、；机械合金化+热压及热等静压反应烧结工艺粉末注射成形工艺放电等离子烧结工艺,31,5、铝化物介绍,TiAl系金属间化合物的用途,涡轮发动机压气机盘航天飞船的低密度部件复合材料的基体（如TiAl/SiC，TiAl/Nb）汽车发动机阀涡轮发动机转子,32,5、铝化物介绍,33,34,5、硅化物介绍,MoSi2、Fe3Si、Nb5Si3、Mg2Si等,35,5、硅化物介绍,MoSi2金属间化合物,36,5、硅化物介绍,MoSi2金属间化合物的结构,Si Mo,37,5、硅化物介绍,MoSi2金属间化合物的物理性能,密度 6.24 g/cm3熔点 2030弹性模量 440 G Pa剪切模量 191 G
10、 Pa泊松比 0.15热导率 65 W/mk(room temperature)30 W/mk(1400)热膨胀率 7-10 10-6-1(20-1400)电阻率 15 生成热-131.8 kJ/mole,38,5、硅化物介绍,几种不同取向的MoSi2单晶的屈服强度与温度的关系,39,5、硅化物介绍,MoSi2的强度与温度的关系,40,5、硅化物介绍,MoSi2基材料直至1600高温下仍具有优异的抗氧化性能，表面形成SiO2膜。在500-800会发生“pesting”现象。,41,5、硅化物介绍,MoSi2金属间化合物的微观组织,MoSi2和MoSi2-ZrO2的微观组织,42,5、硅化物介绍
11、,MoSi2金属间化合物的微观组织,图1 熔体快淬MoSi2-Nb-Hf-B合金的显微组织,MoSi2,Mo5Si3,图2 热压MoSi2-Nb-Hf-B合金显微组织,MoSi2,Mo5Si3,43,5、硅化物介绍,MoSi2金属间化合物的微观组织,图6.维氏压痕显微照片及裂纹(a)MoSi2；(b)MoSi2-SiC复合材料,44,5、硅化物介绍,MoSi2金属间化合物的微观组织,图7.SEM裂纹扩展形貌(a)MoSi2；(b)MoSi2-ZrO2(稳定化)；(c)MoSi2-ZrO2(未稳定化),45,5、硅化物介绍,MoSi2金属间化合物的微观组织,图8.MoSi2-ZrO2复合材料中裂
12、纹的TEM形貌(a)m-ZrO2颗粒附近的微裂纹；(b)穿过Mo5Si3颗粒的微裂纹,(a),(b),46,5、硅化物介绍,MoSi2金属间化合物的微观组织,透射电镜明场像，MoSi2-1%Nb在400压缩变形0.5%的位错亚结构。,透射电镜明场像，MoSi2-1%Nb在1200压缩变形1%的位错及滑移后的位错环。,47,5、硅化物介绍,MoSi2金属间化合物的制备方法,粉末冶金法：注射成形、机械合金化、燃烧合成等熔炼和铸造工艺溅射、喷涂以及涂层制备工艺固态转换反应 Mo2C+5Si=2MoSi2+SiC原位反应弥散相粒子生成技术,48,5、硅化物介绍,MoSi2金属间化合物的用途,块体材料
13、主要用做电炉发热元件、电子电力等耐热、抗烧蚀高温结构部件和器件。广泛用于陶瓷、冶金、玻璃、汽车、化工、电子、电力、军工国防、航空航天等领域。涂层 1、高温合金和其他难熔金属的耐热抗氧化保护涂层材料；2、集成电路基片导电膜、触头以及栅极材料等；3、功能器件用（电阻、红外探测、太阳能电池等）薄膜材料。,49,MoSi2电炉加热元件,50,玻璃熔炼炉电极,汽车火花塞抗氧化环状侧电极,MoSi2金属间化合物的用途,51,5、硅化物介绍,Fe3Si金属间化合物,52,5、硅化物介绍,Fe3Si金属间化合物的结构,DO3,e.g.Fe3Si,53,5、硅化物介绍,Fe3Si金属间化合物的显微组织,真空电弧
14、熔炼Fe-22at%Si-0.25at%B合金变形50%后的显微组织(a)850,应变速率410-4s-1;(b)900,应变速率410-4s-1;(c)900,应变速率510-4s-1;(d)变形前组织,54,5、硅化物介绍,Fe3Si金属间化合物的显微组织,Fe3Si金属间化合物高温变形后的透射电镜显微组织：动态再结晶与位错运动,55,5、硅化物介绍,Fe3Si金属间化合物的制备方法,电弧熔炼+轧制工艺制备Fe3Si薄板快速凝固工艺急冷制带法喷射成形法化学气相沉积法,56,5、硅化物介绍,Fe3Si金属间化合物的用途,电力电讯业中的变形压器、变换器、高频扼流线圈磁头材料：Sendust合金
15、电阻材料,57,5、硅化物介绍,Nb5Si3金属间化合物,58,5、硅化物介绍,Nb5Si3金属间化合物的结构,Nb Si,(b)D88,e.g.Nb5Si3,59,5、硅化物介绍,Nb5Si3金属间化合物的显微组织,Nbss/Nb5Si3合金的光学显微组织，黑色相为Nb5Si3，白色相为Nb固溶体,W.Y.Kim,H.Tanaka and A.Kasama et al.Intermetallics,9(2001):521-527,60,5、硅化物介绍,Nb5Si3金属间化合物的显微组织,D.E.Alman and J.A.Hawk.Wear,251(2000):890-900,Nb和MoSi2扩散反应生成脆性Nb5Si3金属间化合物,61,5、硅化物介绍,Nb5Si3金属间化合物的显微组织,Nb-18at%Si-15Mo合金的透射电镜显微组织(a)1845退火24h；(b)室温变形3%,W.Y.Kim,H.Tanaka and A.Kasama et al.Intermetallics,9(2001):521-527,62,5、硅化物介绍,Nb5Si3金属间化合物的制备方法,真空电弧熔炼真空电弧熔炼及定向凝固机械合金化+热压烧结、热等静压放电等离子烧结高温自蔓燃反应法固态置换反应法磁控溅射,63,5、硅化物介绍,Nb5Si3金属间化合物的用途,1200以上高温结构材料高温涂层,
