CN112644108B - Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种Fe‑Al金属间化合物微叠层复合材料及其制备方法,属于材料加工技术领域。该复合材料由交替叠置的厚Fe层和Fe‑Al复合体系组成,而Fe‑Al复合体系又由交替叠置的Fe‑Al金属间化合物层和薄Fe层组成。制备时,将Fe箔、Al箔按位置叠放在一起,然后采用热压扩散成形工艺进行热压烧结,最后获得Fe‑Al金属间化合物微叠层复合材料。本发明叠层复合材料采用“多层薄箔”结构,该结构减少了反应时间,实现了局部化学成分的控制,并允许金属/金属间化合物的结合;本发明叠层复合材料界面清晰且结合牢固,金属间化合物的生长形貌为“舌状形貌”,所制得的成品受科肯达尔效应影响较小,相对致密,材料的整体性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域,具体是一种Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料及其制备方法。
背景技术
Fe/Al基金属间化合物由于其具有优异的强度及断裂韧性,Fe-Al金属间化合物中的Fe3Al、FeAl等相原子间排列长程有序,结合力强,兼有金属键和共价键的特征,具有优良的抗氧化性能和高温结构特性。此外,Fe-Al金属间化合物还表现出较高的比强度和中温强度,具有特殊的屈服强度和温度关系,被认为是一种介于高温合金与陶瓷之间的新型高温结构材料,广泛应用于航空航天构件等需要兼顾材料比强度及高温性能的领域
因此,利用Fe-Al金属间化合物制备的MIL材料将不仅具有良好的力学性能,还能兼具优良的高温抗腐蚀性能。而且,由于铁基金属及合金的原材料价格低廉,可以大幅降低MIL材料的成本,从而有助于推广MIL材料的大规模商业化应用。
人们针对金属间化合物微层复合材料开发出多种制备技术,主要有:轧制复合、热压扩散复合、***焊接复合、脉冲电流加工等方法。其中***焊接复合法和脉冲电流加工法由于设备及复合原理的限制,目前只适合在实验室中制备小尺寸的微叠层复合板材。而对于工业化生产中所需的大尺幅中、厚复合板材或多层复合板坯的制备,主要采用轧制复合法和热压扩散复合法。真空热压方法的优点是所制备界面结合牢固,是一种低温快速成形技术;同时采用真空条件可以避免加工过程中材料的氧化,获得较为均匀的组织结构。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料及其制备方法。所述制备方法是采用创新的“多层薄箔”结构,将铁箔和铝箔交替叠放后,采用特殊热压扩散成形工艺进行复合叠层材料的制备,以获得具有优异性能的Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料。
本发明是通过如下技术方案实现的:
一种Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料,由交替叠置的厚Fe层和Fe-Al复合体系组成,并且最底层和最顶层均为厚Fe层;其中,Fe-Al复合体系由交替叠置的Fe-Al金属间化合物层和薄Fe层组成,并且最底层和最顶层均为Fe-Al金属间化合物层。
作为优选的技术方案,厚Fe层共有五层,Fe-Al复合体系共有四层;每层Fe-Al复合体系中,Fe-Al金属间化合物层共有七层,薄Fe层共有六层。
进一步的,本发明还提供了上述Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料的制备方法,包括如下步骤:
1)准备直径为26mm的厚Fe箔、薄Fe箔和薄Al箔,其中,厚Fe箔的厚度为2.0mm、薄Fe箔的厚度为0.3mm,薄Al箔的厚度为0.4mm,将厚Fe箔、薄Fe箔和薄Al箔表面进行预处理,除去表面的油污、杂质和氧化膜;
2)将预处理过的箔材按顺序依次叠放在一起,然后采用热压扩散成形工艺进行热压烧结;
3)将叠层箔材从室温以10℃/min的升温速度加热到500℃,再以20℃/10min的升温速度加热到600℃,继续以5℃/10min的升温速度加热到655℃;
4)在655℃时,保温5个小时,之后降温到200℃,随后进行炉冷,即获得Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料。
作为优选的技术方案,厚Fe箔、薄Fe箔的纯度均≥99.5%,薄Al箔的纯度≥99.5%。
作为优选的技术方案,箔材的预处理方法为,先用240#粗砂纸对箔材的两个垂直方向的面进行打磨,然后在通风处用镊子夹取脱脂棉蘸丙酮擦拭箔材,接着将箔材放入无水乙醇中超声波清洗10min,最后用烘干机烘干箔材。
作为优选的技术方案,薄Al箔在打磨之前用浓度为9%的NaOH溶液腐蚀5分钟。
与现有技术相比,本发明有益效果如下:
1)本发明Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料采用热压扩散成形工艺制得,所使用的的金属箔片易于获得,易制备成整体大块材料,能产生高质量的界面,不需熔化母材,界面能够达到或接近母材的力学性能;所制备界面清晰且结合牢固,是一种低温快速成形技术;同时采用真空条件可以避免加工过程中材料的氧化,获得较为均匀的组织结构。
2)本发明Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料所采用的为具有创新性的“多层薄箔”结构,“多层薄箔”结构的目的是通过短程扩散控制金属间区域的化学成分,并且这种结构能够减少反应时间,并实现局部化学成分的控制,并允许金属/金属间化合物的结合,这是无法通过传统方法生产的;此外,金属/金属间化合物的比例可以通过改变多层薄箔体系的层数来调整。
3)本发明Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料界面清晰且结合牢固,金属间化合物的生长形貌为“舌状形貌”,所制得的成品受科肯达尔效应影响较小,相对致密,材料的整体性能优异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,此处的附图用来提供对本发明的进一步说明,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明复合材料的整体结构示意图。
图2为本发明复合材料的局部结构示意图。
图3为本发明复合材料制备时叠层箔材的整体结构示意图。
图4为本发明复合材料制备时叠层箔材的局部结构示意图。
图5为本发明复合材料制备时热压扩散成形工艺曲线图。
图6为本发明复合材料100倍的金相显微组织图。
图7为本发明复合材料200倍的金相显微组织图。
图中:1-厚Fe层、2-Fe-Al复合体系、3-Fe-Al金属间化合物层、4-薄Fe层、5-厚Fe箔、6-薄Fe箔、7-薄Al箔。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明,以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一种Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料,由交替叠置的厚Fe层1和Fe-Al复合体系2组成,厚Fe层1共有五层,Fe-Al复合体系2共有四层,并且最底层和最顶层均为厚Fe层1,如图1所示;其中,Fe-Al复合体系由交替叠置的Fe-Al金属间化合物层3和薄Fe层4组成,Fe-Al金属间化合物层3共有七层,薄Fe层4共有六层,并且最底层和最顶层均为Fe-Al金属间化合物层3,如图2所示。
上述的Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料的制备方法,包括如下步骤:
1)准备直径为26mm的厚Fe箔5、薄Fe箔6和薄Al箔7,其中,厚Fe箔的厚度为2.0mm、薄Fe箔的厚度为0.3mm,薄Al箔的厚度为0.4mm,厚Fe箔、薄Fe箔的纯度均≥99.5%,薄Al箔的纯度≥99.5%;将厚Fe箔、薄Fe箔和薄Al箔表面进行预处理,除去表面的油污、杂质和氧化膜;预处理的方法为:先用浓度为9%的NaOH溶液将薄Al箔腐蚀5分钟,然后用240#粗砂纸对厚Fe箔、薄Fe箔和薄Al箔的两个垂直方向的面进行打磨,然后在通风处用镊子夹取脱脂棉蘸丙酮擦拭各箔材,接着将各箔材放入无水乙醇中超声波清洗10min,最后用烘干机烘干各箔材。
2)将预处理过的箔材按顺序依次叠放在一起,如图3和图4所示,叠层箔材的总厚度为28.4mm,然后采用热压扩散成形工艺进行热压烧结。
3)设置起始压力为3.8Mpa,将叠层箔材从室温以10℃/min的升温速度加热到500℃,再以20℃/10min的升温速度加热到600℃,继续以5℃/10min的升温速度加热到655℃。
4)在655℃时,保温5个小时,之后降温到200℃,随后进行炉冷,如图5所示,即获得Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料。
图6和图7为本发明方法制得的Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料的金相显微组织图,从图中可以看出,复合材料的界面清晰且结合牢固,通过热压扩散成形工艺得到的金属间化合物层中的主要相为Fe2Al5,金属间化合物的生长形貌为“舌状形貌”,该相在伸入Fe层部分的“舌状”区域具有非常粗大的晶粒。所制得的复合材料受科肯达尔效应影响较小,相对致密,材料的整体性能优异。
上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料,其特征在于:由交替叠置的厚Fe层和Fe-Al复合体系组成,并且最底层和最顶层均为厚Fe层;其中,Fe-Al复合体系由交替叠置的Fe-Al金属间化合物层和薄Fe层组成,并且最底层和最顶层均为Fe-Al金属间化合物层;
Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料的制备方法包括如下步骤:
1)准备直径为26mm的厚Fe箔、薄Fe箔和薄Al箔,其中,厚Fe箔的厚度为2.0mm、薄Fe箔的厚度为0.3mm,薄Al箔的厚度为0.4mm,将厚Fe箔、薄Fe箔和薄Al箔表面进行预处理,除去表面的油污、杂质和氧化膜;
2)将预处理过的箔材按顺序依次叠放在一起,然后采用热压扩散成形工艺进行热压烧结;
3)将叠层箔材从室温以10℃/min的升温速度加热到500℃,再以20℃/10min的升温速度加热到600℃,继续以5℃/10min的升温速度加热到655℃;
4)在655℃时,保温5小时,之后降温到200℃,随后进行炉冷,即获得Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料。
2.根据权利要求1所述的Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料,其特征在于:厚Fe层共有五层,Fe-Al复合体系共有四层;每层Fe-Al复合体系中,Fe-Al金属间化合物层共有七层,薄Fe层共有六层。
3.根据权利要求1所述的Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料,其特征在于:厚Fe箔、薄Fe箔的纯度均≥99.5%,薄Al箔的纯度≥99.5%。
4.根据权利要求3所述的Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料,其特征在于:箔材的预处理方法为,先用240#粗砂纸对箔材的两个垂直方向的面进行打磨,然后在通风处用镊子夹取脱脂棉蘸丙酮擦拭箔材,接着将箔材放入无水乙醇中超声波清洗10min,最后用烘干机烘干箔材。
5.根据权利要求4所述的Fe-Al金属间化合物微叠层复合材料,其特征在于:薄Al箔在打磨之前用浓度为9%的NaOH溶液腐蚀5分钟。
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