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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
2、合物的力学性能,7,5、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
3、等；,10,5、铝化物介绍,FeAl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 294
4、GPa 179GPa 晶体结构 B2 L12,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): 1272-127
5、6 G.P. Cammarota, A. Casagrande. 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
6、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): 575-580 I. 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-Wils
7、dorf位错结和反相畴界(APB),Ni3Al多晶的亚晶界和位错网,P. Jozwik, E. Jezierska, 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
8、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
9、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； 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,M
10、oSi2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 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
11、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,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
12、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
13、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 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
14、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
15、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 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
16、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,