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铁基高温合金多孔材料的制备

时间:2016-07-10 来源:拉弯加工 点击:574次

烧结金属多孔材料是一类具有特殊性能的功能材料,其特点是内部含有大量连通或半连通的孔隙;因其比表面积大可作为过滤材料,广泛应用于冶金机械、石油化工、能源环保、原子能等工业领域,近些年来发展很快。随着所应用的领域扩展到高温和腐蚀性环境,就要求所用的金属多孔材料具有高温抗氧化、抗腐蚀等性能。Ni-Cr-Al-Fe多孔材料是近年发展起来的典型材料,它在高温下具有突出的耐高温、抗氧化、耐腐蚀性能,特别是耐硫腐蚀性能优于Fe3Al,且高温力学性能优异,在850℃下,其屈服强度是多孔Fe3Al的10倍,同时又具有很好的焊接性能。  

  但是,由于原料镍的成本较高,能否用一种耐氧化、抗腐蚀的铁基高温合金代替镍制备多孔材料,以降低制备成本,就成为该领域的一个新课题。我国中南大学粉末冶金国家重点实验室,以Fe-Cr-W-Ti-Y合金粉末为原料,添加Fe/Al球磨混合粉末,利用克根达耳效应和Fe、Al反应造孔制备出了铁基高温合金多孔材料。他们将铁粉和铝粉按原子比为3:1的配比配粉,然后进行球磨,球料比为5:1,球磨8小时后得到Fe/Al混合粉。向Fe-14Cr-3W-0.5Ti-0.5Y(质量分数)合金粉中加入一定量的的Fe/Al混合粉,在400 MPa的压力下压制成压坯。真空封管后放入箱式炉中,以15℃/min的升温速率升至600℃,保温一定时间,然后以相同的升温速率再升至1000℃,保温至烧结完成。

  试验证明,Fe/Al混合粉含量小于15%时,烧结坯的开孔隙率随Fe/Al混合粉含量增加而递增;在Fe/Al混合粉含量达到15%时,开孔隙率达到最大值33%。继续增加Fe/Al混合粉含量反而使烧结坯的开孔隙率下降。

  传统粉末冶金烧结制备的多孔材料,其孔隙主要是通过原料粉末间隙以及预置造孔剂的脱除而形成。这种方法制备出来的多孔材料存在孔结构的可控性较差,造孔剂的添加与脱除易造成材料和环境污染等缺点。中南大学所采用的制备方法则有所不同,其孔隙的产生有多方面的机制:(1)试样在压制过程中,颗粒间存在许多孔隙;(2)随着烧结温度的升高,在固态下,由于Fe与Al本征扩散系数的差异引起克根达耳效应而产生孔隙;(3)在温度达到580℃时,发生Fe+Al→Fe2Al5+FeAl+Fe放热反应,并导致体系膨胀使孔隙增加。释放的热量还会导致反应体系温度升高,在靠近Fe、Al反应界面处的Al会发生局部熔化,液态铝包裹Fe颗粒并与其发生反应;液态铝的流走,会在Al颗粒原有位置产生孔隙。另外,Fe/Al混合粉末的加入阻碍了Fe-Cr合金粉末烧结致密化,这也是孔隙率增加的原因之一。铁基高温合金多孔材料中的大部分孔隙在生成物颗粒之间产生,多孔体骨架由生成物颗粒构成,颗粒之间的界限可构成一个相互连接的网络。一定量Al的存在,可在原本相互连接的颗粒界限上实现孔隙的连通。当加入15% Fe/Al混合粉末时,可得到最大数量的孔隙。(中国钢铁新闻网)

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