龐 秋，胡志力，孫東立

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開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金制備及高溫力學(xué)性能

龐 秋1, 2，胡志力2，孫東立3

(1. 武漢東湖學(xué)院，機電工程學(xué)院，武漢 430212；2. 武漢理工大學(xué)，現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

為了滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Ω呷埸c開孔泡沫金屬的迫切需求，針對現(xiàn)有開孔泡沫金屬熔點低、強度和抗氧化性能差，以及孔隙率低、孔徑結(jié)構(gòu)分布不均勻等難題，以三維網(wǎng)狀開孔泡沫Ni為基體，采用固體粉末包埋結(jié)合高溫固相擴(kuò)散工藝，制備出一種孔隙率達(dá)到95%三維網(wǎng)狀開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金。利用掃描電鏡(SEM/EDS)對開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金化前后的組織形貌和元素擴(kuò)散進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解擴(kuò)散過程中Ni-Cr-Fe骨架形成與元素擴(kuò)散之間的規(guī)律，并且對合金化后泡沫合金的微觀形貌及結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。同時，研究了800 ℃和1000 ℃條件下開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能和能量吸收性能。結(jié)果表明：隨著高溫固相擴(kuò)散時間的延長，網(wǎng)絲骨架中Cr、Fe、Ni元素濃度梯度明顯平緩，(1200 ℃, 48 h)均勻化熱處理后，網(wǎng)絲骨架中Cr、Fe、Ni 3種元素發(fā)生了充分的互擴(kuò)散，達(dá)到合金成分均勻化。并且，開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金保持著初始泡沫Ni基體的三維網(wǎng)狀及骨架中空結(jié)構(gòu)。同時，高溫壓縮時開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金具有典型韌性金屬泡沫的變形特性，其壓縮強度隨著泡沫合金中Cr、Fe含量的增加而明顯增大，而能量吸收性能表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。

開孔泡沫金屬；固體粉末包埋工藝；高溫固相擴(kuò)散工藝；合金化；力學(xué)性能

泡沫金屬是當(dāng)前材料科學(xué)中發(fā)展較為迅速的一種新型結(jié)構(gòu)材料。由于泡沫金屬材料是由金屬基體骨架連續(xù)相和氣孔分散相或連續(xù)相組成的兩相復(fù)合材料，它的性質(zhì)會受到金屬基體、氣孔率、氣孔結(jié)構(gòu)及制備工藝等的影響[1?3]。與傳統(tǒng)的實體材料相比，泡沫金屬擁有高的比強度、比剛度，以及較大的比表面積等優(yōu)良性能；同時，泡沫金屬具有較好的金屬特性[4?6]。近幾年，隨著現(xiàn)代航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，賦予航空飛機和航天飛行器更強的飛行能力。高熔點泡沫金屬在高超飛行器，航天飛機上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，如金屬熱防護(hù)系統(tǒng)以及發(fā)動機、燃燒室等高溫環(huán)境下的隔熱和防護(hù)。三維網(wǎng)狀開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金作為高溫鎳基合金材料的一種，通常應(yīng)用于800~1000 ℃高溫環(huán)境，如金屬熱防護(hù)系統(tǒng)以及發(fā)動機、燃燒室等高溫環(huán)境下的隔熱和防護(hù)[7?8]。

然而，通過傳統(tǒng)粉末冶金工藝制備高熔點開孔泡沫金屬，由于金屬基體熔點較高，容易導(dǎo)致泡沫金屬孔隙率低、孔結(jié)構(gòu)分布不均勻。目前，三維網(wǎng)狀的開孔泡沫金屬制備主要采用滲流鑄造法、電沉積法和氣相沉積法。例如：FIEDLER等[9]利用滲流鑄造法制備泡沫時，泡沫金屬的孔徑大小分布不均勻，孔尺寸僅局限為2~10 mm；陳勁松[10]采用電解液噴射沉積法制備了不同孔隙率的泡沫鎳，研究表明：70%孔隙率泡沫鎳的塑性平臺的高度較低，其強度也較差；QUEHEILLALT等[11]采用氣相沉積法可使開孔Inconel合金蒸發(fā)沉積到開孔聚合物泡沫板上，但是，由于基底材料(聚氨酯泡沫)復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生較薄的沉積層且厚度不均勻、成本較高。因此，采用滲流鑄造、電沉積方法和氣相沉積法制備孔隙分布均勻的三維網(wǎng)狀開孔泡沫合金存在較多困難。

目前，固體粉末包埋工藝已經(jīng)成功應(yīng)用于許多耐腐蝕的不銹鋼、鈦基合金和鎳基合金工件的制造。例如：KARIMI ZARCHI等[12]在950~1100 ℃下純鈦NaF活化包埋滲鋁進(jìn)行研究，對樣品上的滲鋁層進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：在950 ℃的增重預(yù)測值與實驗值吻合較好。然而，針對三維網(wǎng)狀開孔泡沫金屬材料而言，由于三維網(wǎng)狀開孔泡沫金屬基體內(nèi)部具有大量的孔隙結(jié)構(gòu)，比表面積大，泡沫網(wǎng)絲結(jié)構(gòu)復(fù)雜。相對實體材料而言，采用固體粉末包埋工藝對泡沫金屬材料進(jìn)行表面改性存在較大的區(qū)別。例如：FARHAN等[13]利用固體粉末包埋工藝在泡沫碳基體上制備納米SiC涂層，結(jié)果表明：納米SiC涂層容易沉積于泡沫孔洞周圍，在氧化環(huán)境下，與未包覆的基材相比，泡沫碳的涂層提高了使用壽命。因此，利用固體粉末包埋法結(jié)合高溫固相擴(kuò)散工藝制備高熔點開孔泡沫金屬具有較強的現(xiàn)實意義。

本文作者以三維網(wǎng)狀開孔泡沫Ni為基體，采用固體粉末包埋法結(jié)合高溫固相擴(kuò)散工藝，制備出一種孔隙率達(dá)到95%，組織分布均勻的三維網(wǎng)狀開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金。并且對高溫固相擴(kuò)散前后開孔Ni-Cr-Fe泡沫骨架形成與元素擴(kuò)散之間的規(guī)律進(jìn)行研究。利用掃描電鏡(SEM/EDS)和D/max2400X射線衍射儀(XRD)對合金化后的開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金進(jìn)行微觀組織及相結(jié)構(gòu)分析。同時，研究了800 ℃和1000 ℃條件下開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能和能量吸收性能。

1 實驗

采用開孔泡沫Ni(孔隙率為98%)為基體，宏觀形貌如圖1所示(其中Ni純度高達(dá)98.17%)。首先利用線切割機將開孔泡沫Ni加工成尺寸為20 mm×10 mm試樣。然后，將開孔泡沫Ni包埋于Cr、Fe固體浸滲粉末中進(jìn)行Cr-Fe共滲。在裝料過程中，首先填充5 mm厚度滲劑于不銹鋼合金滲罐底層，再將泡沫Ni試樣分層交替包埋在滲劑粉中，密封滲蓋。其中，Cr-Fe固體浸滲所用滲劑原料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))包括：65% Al2O3、5% NH4Cl、25% Cr、5% Fe。隨后利用低溫爐在300 ℃時預(yù)熱排氣30 min，用pH試紙放在排氣孔口處，待試紙發(fā)生藍(lán)色變化，用焊接方法封住排氣孔，然后迅速轉(zhuǎn)移至1600 ℃快速升溫爐內(nèi)，進(jìn)行鉻、鐵共滲試驗，共滲溫度選擇為900、1050和1100 ℃，保溫時間階段為4~12 h。隨爐冷卻到150 ℃以下出爐。

為了去除表面的粘附，隨即放入酒精中進(jìn)行超聲波清洗20 min后吹干。為防止試樣高溫固相擴(kuò)散過程中發(fā)生氧化，泡沫試樣采用石英玻璃管密封處理。然后，用機械泵將石英玻璃管抽真空，保證管內(nèi)真空度小于1×10?3Pa。隨后開孔泡沫Ni-Cr-Fe進(jìn)行高溫固相擴(kuò)散，溫度選為1200 ℃，分別保溫12、24和48 h，高溫固相擴(kuò)散工藝如表1所列。

圖1 泡沫Ni基體的宏觀形貌

表1 高溫固相擴(kuò)散工藝

利用掃描電鏡(SEM/EDS)和X射線衍射儀(XRD)對合金化后的開孔泡沫Ni-Cr-Fe 進(jìn)行微觀形貌、相組成及成分分析。同時，根據(jù)Fick-Onsager擴(kuò)散定律對Cr和Fe在泡沫Ni-Cr-Fe三元系中平均互擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行計算，將數(shù)值分析結(jié)果與實驗值進(jìn)行了對比分析。利用Instron5569萬能電子拉伸試驗機對開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金進(jìn)行高溫壓縮性能試驗。橫梁移動速度為0.5 mm/min，數(shù)據(jù)采集8點/min，最大載荷砝碼質(zhì)量為500 kg，壓縮位移為8 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度對Cr-Fe共滲層形貌影響

圖2所示分別為泡沫Ni基體在不同溫度下保溫10 h后Cr-Fe共滲層表面形貌。由圖2(a)可以看出，泡沫Ni在900 ℃保溫10 h后Cr-Fe共滲層表面粗糙、疏松，存在著許多孔洞。這可能是由于鉻原子[Cr]和鐵原子[Fe]是獨立擴(kuò)散的，在滲層與基體之間產(chǎn)生聚集區(qū)，由于共滲溫度低導(dǎo)致兩種原子擴(kuò)散過程緩慢，共滲層顆粒發(fā)生明顯團(tuán)聚。圖2(b)給出了1050 ℃保溫10 h后Cr-Fe共滲層表面形貌，當(dāng)共滲溫度為1050 ℃時，Cr-Fe共滲層均勻分布在泡沫Ni網(wǎng)絲的表面，滲層表面致密，顆粒呈片狀結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)共滲溫度增加到1100 ℃時，如圖2(c)所示，Cr-Fe共滲層表面形貌呈連續(xù)起伏狀，滲層表面變得凹凸不平，出現(xiàn)一些較大的凹陷和孔洞。根據(jù)文獻(xiàn)[14]所述采用粉末包埋法制備Cr涂層，不同加熱溫度對涂層的表面形貌產(chǎn)生較大的影響。因此，研究表明：Cr-Fe共滲溫度選擇1050 ℃是比較合適的。

圖2 泡沫Ni基體在不同溫度下保溫10 h后Cr-Fe共滲層表面形貌

圖3所示為開孔泡沫Ni基體在不同溫度下保溫10 h后Cr-Fe共滲層橫截面形貌。從圖3(a)中可以看出，泡沫Ni在900 ℃保溫10 h后Cr-Fe共滲層與泡沫Ni基體的界面結(jié)合處存在許多圓形孔洞。同時，Cr-Fe共滲層厚度不均勻，滲層厚度約為15~25mm，這是由于泡沫Ni網(wǎng)絲形狀復(fù)雜，在共滲過程中，Cr和Fe原子較容易沉積在泡沫網(wǎng)絲截面凸起處點，而泡沫Ni網(wǎng)絲凹起處點原子不容易沉積。從圖3(b)中發(fā)現(xiàn)，泡沫Ni在1050 ℃保溫10 h后Cr-Fe共滲層均勻地分布于泡沫Ni網(wǎng)絲周圍，滲層厚度約為30mm。尤其，Cr-Fe共滲層表面比較平整，未出現(xiàn)如圖3(a)所示鋸齒形狀滲層。這有利于熱處理合金化后，泡沫Ni-Cr-Fe合金成分的均勻性。然而，隨著共滲溫度的進(jìn)一步增加至1100 ℃，如圖3(c)所示，Cr-Fe共滲層的厚度增加緩慢，Cr-Fe滲層厚度約為30mm，共滲層外圍出現(xiàn)鋸齒形狀。同時，Cr-Fe共滲層及界面結(jié)合處均出現(xiàn)微小孔洞，大大降低了滲層與基體的結(jié)合強度。

圖4所示為泡沫Ni在1050 ℃保溫10 h后Cr-Fe共滲層橫截面元素線掃描分析形貌。從圖4(a)中線掃描分析可以看出，Cr-Fe共滲層由外層和中間擴(kuò)散層兩部分組成。從擴(kuò)散層前端的形貌來看，Cr、Fe和Ni元素的含量在擴(kuò)散層前端附近的分布略有起伏(如圖4(a)方框所示)，這說明在高溫固相Cr-Fe共滲過程中，Cr、Fe和Ni層之間的晶界擴(kuò)散速度大于晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度。這可能由于晶界處原子擴(kuò)散所需的活化能較低，擴(kuò)散速度比晶內(nèi)擴(kuò)散快[15]。圖4(b)所示為橫截面上元素能譜分析，可以發(fā)現(xiàn)Cr和Fe元素線掃描分布呈中間低、兩端高的形貌，大部分Cr、Fe原子聚集在基體表面，也存在一部分Cr、Fe原子向基體內(nèi)部擴(kuò)散。同時，在泡沫Ni網(wǎng)絲的中空三角形內(nèi)側(cè)有一定量Cr和Fe元素的沉積。表2給出了圖4中各個相區(qū)的元素定量分析，可以發(fā)現(xiàn)泡沫網(wǎng)絲表面Cr和Fe元素含量分別為71.36%和22.27%(摩爾分?jǐn)?shù))，其網(wǎng)絲表面中端(標(biāo)注3處)為11.86%和5.63%(摩爾分?jǐn)?shù))，兩處存在較大的濃度差，這種元素分布特征為隨后元素?zé)崽幚砗辖鸹峁┝丝尚行浴?/p>

圖3 泡沫Ni基體在不同溫度條件下保溫10h后Cr-Fe共滲層橫截面形貌

圖4 泡沫Ni在1050 ℃保溫10 h后Cr-Fe滲層橫截面上線掃描及能譜分析

表2 1050 ℃/10 h后泡沫Ni-Cr-Fe網(wǎng)絲骨架上不同區(qū)域EDS成分分析

2.2 高溫固相擴(kuò)散時間對泡沫Ni-Cr-Fe骨架元素分布的影響

圖5所示為(1050 ℃, 10 h)的泡沫樣品經(jīng)1200 ℃保溫12 h后網(wǎng)絲骨架元素線掃描形貌。從圖5(a)線掃描形貌中可以看出，經(jīng)1200 ℃保溫12 h均勻化熱處理后，泡沫Ni基體與Cr-Fe滲層之間的界限消失，結(jié)果表明：在1200 ℃均勻化處理過程中，Cr-Fe滲層與泡沫Ni基體之間發(fā)生互擴(kuò)散現(xiàn)象。圖5(b)給出了合金化12 h后橫截面上元素能譜分析，可以發(fā)現(xiàn)Cr、Fe兩種元素的曲線梯度趨于平緩，Ni元素線分布曲線呈現(xiàn)出中間高、兩端略低的弓背型趨勢，表明網(wǎng)絲中央聚集大量Ni原子。表3所示為(1050 ℃, 10 h)+(1200 ℃, 12 h)樣品各個相區(qū)的元素定量分析得知，在泡沫網(wǎng)絲邊緣區(qū)域(如圖5(a)中標(biāo)記3處)，Cr、Fe含量分別高達(dá)37.25%和23.53%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，比網(wǎng)絲中央(如圖5(a)中標(biāo)記2處)高出36%和92%，研究表明：經(jīng)(1200 ℃，12 h)均勻化熱處理后，泡沫Ni-Cr-Fe試樣中3種元素含量仍然存在一定濃度梯度，網(wǎng)絲兩端仍然存留著大量的Cr、Fe原子，網(wǎng)絲中央聚集大量Ni原子。

圖6所示為(1050 ℃, 10 h)的泡沫樣品經(jīng)1200 ℃保溫24 h后泡沫Ni-Cr-Fe骨架元素線掃描及能譜分析。從圖6(a) 線掃描形貌中可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱處理保溫時間的進(jìn)一步延長，Ni元素弓背型分布曲線趨于平緩，Cr、Fe和Ni元素之間的互擴(kuò)散會更加充分。這是由于Cr、Fe的原子半徑與基體Ni相近(Cr、Fe和Ni原子半徑分別為0.128、0.124和0.162 nm)，三者易形成置換型固溶體-(Ni, Cr, Fe)相[16]。置換型固溶體的原子是由空位跳躍進(jìn)行擴(kuò)散，原子的跳躍頻率和空位濃度可以用Arrhenius公式(=exp(?/))來描述。所以，隨著保溫時間的延長，網(wǎng)絲骨架內(nèi)的Cr、Fe和Ni元素分布更加均勻。圖6(b)給出了1200 ℃保溫24 h后泡沫Ni-Cr-Fe骨架橫截面能譜分析。與(1200 ℃, 12 h)均勻化熱處理相對比(圖5)，隨著擴(kuò)散均勻化熱處理時間的延長，網(wǎng)絲骨架中Cr、Fe、Ni元素曲線梯度明顯降低，特別是Cr、Fe元素曲線更加趨于平緩。表3給出了圖5和6中各個相區(qū)的元素定量分析，利用EDS能譜分析得知，泡沫Ni-Cr-Fe網(wǎng)絲中3種元素含量仍然存在濃度梯度，網(wǎng)絲兩端仍然存留著大量的Cr、Fe原子，網(wǎng)絲中央聚集大量Ni原子(區(qū)域1~6)。

圖5 (1050 ℃, 10 h)+(1200 ℃, 12 h)后泡沫Ni-Cr-Fe線掃描及能譜分析

圖6 (1050 ℃, 10 h)+(1200 ℃, 24 h)后泡沫Ni-Cr-Fe線掃描及能譜分析

圖7所示為(1050 ℃, 10 h)的泡沫樣品經(jīng)1200 ℃保溫48 h后泡沫Ni-Cr-Fe骨架元素線掃描及能譜分析。從圖7中可以看出，當(dāng)保溫時間達(dá)到48 h時，泡沫網(wǎng)絲骨架內(nèi)的Cr、Fe和Ni元素線掃描梯度分布呈現(xiàn)水平狀。表3所示為1050 ℃共滲10 h的樣品，經(jīng)過(1200 ℃, 48 h)均勻化熱處理后泡沫Ni-Cr-Fe網(wǎng)絲骨架上不同區(qū)域EDS成分分析(區(qū)域7~9)。從表3中成分分析可知，1050 ℃共滲10 h的泡沫樣品經(jīng)(1200 ℃, 48 h)均勻化熱處理后，網(wǎng)絲骨架內(nèi)Ni、Cr和Fe發(fā)生了充分的互擴(kuò)散，Cr、Fe和Ni各元素分布逐漸趨于均勻化。由于開孔泡沫Ni-Cr-Fe均勻化熱處理溫度選為1200 ℃，從Ni-Cr-Fe三元系的等溫截面相圖可知，Cr、Fe元素能完全固溶到Ni 基體中生成單相奧氏體(相)組織[17]。

表3 (1050 ℃, 10 h)+(1200 ℃, 12 h, 24 h, 48 h)均勻化熱處理后泡沫Ni-Cr-Fe網(wǎng)絲骨架上不同區(qū)域EDS成分分析

2.3 1200 ℃時Ni-Cr-Fe三元系中擴(kuò)散系數(shù)的計算

利用Fick-Onsager擴(kuò)散定律多組元系統(tǒng)中的原子擴(kuò)散通量方程[18]：

在Ni-Cr-Fe三元系中，通過利用Fick-Onsager擴(kuò)散定律Cr、Fe的擴(kuò)散通量可以描述為

圖7 (1050 ℃, 10 h)+(1200 ℃, 48 h)后泡沫Ni-Cr-Fe骨架線掃描及能譜分析

圖8所示為1050 ℃共滲10 h后開孔Ni-Cr-Fe泡沫網(wǎng)絲，再經(jīng)1200 ℃均勻化熱處理前后Cr、Fe元素在泡沫Ni基體中線掃描分布。從圖8中可以明顯看出，在1200 ℃熱處理前網(wǎng)絲骨架內(nèi)的Ni、Cr、Fe元素分布呈現(xiàn)弓背型曲線形狀，經(jīng)過1200 ℃熱處理48 h后，網(wǎng)絲骨架內(nèi)的Cr、Fe和Ni元素線掃描梯度分布呈現(xiàn)水平狀。結(jié)合公式(2)~(5)，表4給出了1200 ℃熱處理48 h后Cr、Fe原子在泡沫Ni中平均互擴(kuò)散系數(shù)。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，在泡沫Ni基體中，Cr原子的擴(kuò)散系數(shù)是Fe原子擴(kuò)散系數(shù)的1.5倍。因此，在熱處理合金化過程中，與Fe和Ni原子相比，Cr原子優(yōu)先在泡沫Ni網(wǎng)絲中達(dá)到均勻化分布，隨后Fe元素線掃描梯度分布趨于水平。

圖9所示為1200 ℃均勻化熱處理12 h后Cr和Fe在泡沫Ni中擴(kuò)散截面的數(shù)值模擬與實驗對比。從圖9(a)中可以看出，用相互擴(kuò)散參數(shù)預(yù)測出來的Cr元素濃度曲線比較平滑，通過把數(shù)值模擬值和實驗值進(jìn)行對比可以看出Cr擴(kuò)散濃度梯度與實驗值相吻合。圖9(b)中給出了在泡沫Ni中Fe元素數(shù)值模擬與實驗濃度曲線，通過對數(shù)值模擬值與實驗值相比較，證明了求解出的互擴(kuò)散參數(shù)能夠很好的預(yù)測出1200 ℃均勻化熱處理過程中Fe元素的擴(kuò)散分布。

表4 1200 ℃均勻化熱處理后Ni-Cr-Fe三元系的平均互擴(kuò)散系數(shù)

圖8 1200 ℃均勻化前后Cr和Fe元素在泡沫Ni骨架中擴(kuò)散濃度對比

圖9 1200 ℃均勻化熱處理12 h后Cr和Fe在泡沫Ni中擴(kuò)散剖面的數(shù)值模擬與實驗對比

2.4 開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金中各元素含量的變化

開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金具有中空三角形骨架橫截面結(jié)構(gòu)，為減少誤差，本實驗選擇橫貫泡沫網(wǎng)絲橫截面的區(qū)域進(jìn)行Ni-Cr-Fe泡沫合金成分的測定。表5給出了1050 ℃保溫不同時間+(1200 ℃, 48 h)后開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金中各元素組成。根據(jù)EDS能譜分析(見圖4)可以看出，隨著Cr、Fe共滲時間延長，開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金中3種元素的含量呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，泡沫合金中Cr和Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加，相反，Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷降低，且Ni-Cr-Fe泡沫合金網(wǎng)絲截面成分均勻致密。

表5 1050 ℃保溫不同時間合金化后開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金各元素組成

2.5 開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金物相分析

圖10給出了1050 ℃保溫不同時間+(1200 ℃, 48 h)后開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金樣品的XRD譜。通過對比3種不同成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的XRD譜((a) Ni-32Cr-18Fe、(b) Ni-34Cr-20Fe、(c) Ni-36Cr-24Fe)可以發(fā)現(xiàn)開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金表面層主要由(Fe, Ni)和(Ni, Cr, Fe)固溶體組成。這兩種相的形成主要是由于在(1200 ℃, 48 h)擴(kuò)散均勻化過程中，表面沉積的Cr、Fe原子向基體內(nèi)部擴(kuò)散，根據(jù)Fe-Ni二元相圖，在高于913 ℃時Fe和Ni能形成無限固溶體，所以，Ni原子會大量的固溶到Fe中，形成(Fe, Ni)固溶體，并且部分Cr原子進(jìn)一步固溶到(Fe, Ni)固溶體中，形成(Ni, Cr, Fe)固溶體。并且，通過對比3種不同成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的XRD譜，可以看出隨著泡沫合金中Cr、Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷提高，開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金表面層中(Ni, Cr, Fe)固溶體的衍射峰強度明顯增加，而(Fe, Ni)固溶體的衍射峰強度逐漸減弱，這表明隨著1050 ℃保溫時間延長，Ni原子從基體內(nèi)部向外層擴(kuò)散，Cr、Fe原子容易固溶到基體Ni中形成(Ni, Cr, Fe)固溶體。

2.6 開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金高溫壓縮性能

圖11所示為800 ℃時不同組成成分開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金的壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯_孔Ni-Cr-Fe泡沫合金的應(yīng)力?應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出典型泡沫金屬的3個變形階段，即線彈性段、塑性屈服平臺段及致密化[19]。并且，開孔Ni-Cr-Fe泡沫的高溫壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線平滑，應(yīng)力峰跟隨著應(yīng)變的增加先增加后平緩下降。相對密度對開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金的屈服強度影響較大，開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金的屈服強度隨著相對密度的增加而增大。表6所列為800 ℃時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的屈服應(yīng)力和平臺應(yīng)力值。從表6中可以看到，800 ℃時相對密度為8.9%的Ni-36Cr-24Fe泡沫合金的屈服應(yīng)力值和平臺應(yīng)力值較高，分別為1.511 MPa和1.485 MPa，比Ni-28Cr-16Fe泡沫合金的屈服應(yīng)力增加了36%，其平臺應(yīng)力值增加了36%。

圖10 開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金的XRD譜

圖11 800 ℃時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線

表6 800 ℃時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的力學(xué)性能

圖12所示為800 ℃時不同壓縮應(yīng)變后Ni-36Cr-22Fe泡沫合金的變形形貌。SEM像表明，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到20%后，試樣的中間薄弱處部分首先發(fā)生網(wǎng)絲骨架的彎曲變形，如圖12(a)所示。隨著應(yīng)變量不斷增加(=30%)，試樣的中間處泡沫網(wǎng)絲骨架產(chǎn)生較大程度的扭曲和開裂，如圖12(b)所示。當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到50%后，泡沫合金在壓縮過程中其孔棱和孔壁發(fā)生彎曲并最終屈服，試樣的變形沿著垂直于受力方向向整個平面內(nèi)擴(kuò)展，并沒有發(fā)生泡沫骨架網(wǎng)絲脆性斷裂現(xiàn)象，如圖12(c)所示。結(jié)果表明：高溫壓縮時，開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金表現(xiàn)出典型韌性金屬的變形特征。

圖13所示為1000 ℃時不同組成成分開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金的壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線。從圖13中可以看出，隨著壓縮溫度升高，開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金的屈服應(yīng)力和平臺應(yīng)力值均有明顯降低。其中，整體上屈服應(yīng)力值比800 ℃時的降低了近67%，平臺應(yīng)力值降低了67%~73%。這是因為隨著壓縮溫度的增加，基體合金材料強度降低，孔結(jié)構(gòu)潰變所需的應(yīng)力減小。表7給出了1000 ℃時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的屈服應(yīng)力和平臺應(yīng)力值。從表6和7對比可以看出，隨著Cr、Fe元素含量的增加，不同成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的屈服應(yīng)力增加，而平臺應(yīng)力呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。其中，Ni-36Cr-24Fe泡沫合金的屈服應(yīng)力最大，比Ni-28Cr-16Fe泡沫合金的增加了51%； Ni-35Cr-22Fe泡沫合金的平臺應(yīng)力最大，比Ni-28Cr-16Fe泡沫合金的增加了28%。這可能由于1000 ℃高溫壓縮時，Ni-Cr-Fe泡沫合金的力學(xué)性能主要取決于泡沫合金的相對密度和組成成分。在線彈性階段內(nèi)，由于壓縮時間較短，不同成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的屈服應(yīng)力值均隨著相對密度增加而增大；在塑性屈服平臺段內(nèi)，由于Ni-36Cr-24Fe泡沫合金中Fe元素含量相比其他泡沫合金的高，F(xiàn)e元素容易氧化成Fe2O3，導(dǎo)致平臺應(yīng)力值降低。

圖12 不同壓縮應(yīng)變后Ni-Cr-Fe泡沫合金的壓縮變形形貌

圖13 1000 ℃時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的壓縮應(yīng)力?應(yīng)變曲線

表7 1000 ℃時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的力學(xué) 性能

2.7 開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金高溫吸能性能

也可通過單位質(zhì)量吸收的能量來評價，如式(7)所示：

圖14(a)和(b)所示分別為800 ℃時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的單位體積和單位質(zhì)量吸能性能。從圖14可以看出，800 ℃時Ni-Cr-Fe泡沫合金的吸收性能隨壓縮應(yīng)變的增大而增加。在線彈性階段(0≤＜0.05)，泡沫合金的單位體積和單位質(zhì)量的吸收性能平緩增加；在屈服平臺段(0.05≤＜0.6)，隨著應(yīng)變的增加，單位體積和單位質(zhì)量的吸能性能迅速增大。同時，當(dāng)應(yīng)變量相同時，隨著泡沫合金中Cr、Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金能量吸收性能增加。其中，Ni-36Cr-24Fe泡沫合金的單位體積和單位質(zhì)量能量吸收性能最強，如圖14(a)和(b)所示。這主要是Ni-36Cr-24Fe泡沫合金中的Cr、Fe元素含量高起到較好的固溶強化作用，使得其屈服應(yīng)力和平臺應(yīng)力值較高。同時，與泡沫Ni相比，高溫時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金單位體積吸能性能增加了15~18倍，單位質(zhì)量吸能性能增加了17倍。

圖14 800 ℃時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的能量吸收性能

圖15 1000 ℃時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的能量吸收性能

表8 800 ℃和1000 ℃時不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金的能量吸收性能

3 結(jié)論

1) Cr-Fe共滲時，Cr-Fe滲層的致密化程度以及涂層與基體的結(jié)合強度受到不同共滲溫度的影響。Cr-Fe共滲溫度選擇1050 ℃保溫10 h是比較適合的，Cr-Fe滲層表面致密，顆粒呈片狀結(jié)構(gòu)且滲層與基體結(jié)合緊密，未出現(xiàn)明顯的孔洞，這一結(jié)果有利于熱處理合金化后開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金成分的均勻性。

2) 在高溫固相擴(kuò)散過程中，Cr-Fe滲層與泡沫Ni基體之間發(fā)生互擴(kuò)散現(xiàn)象，隨著擴(kuò)散均勻化時間的延長，網(wǎng)絲骨架中Cr、Fe、Ni元素曲線梯度明顯降低。經(jīng)過(1200 ℃, 48 h)均勻化熱處理后，網(wǎng)絲骨架中Cr、Fe、Ni等3種元素發(fā)生了充分的互擴(kuò)散，達(dá)到合金成分均勻化。

3) 利用Fick-Onsager擴(kuò)散方程，計算出1200 ℃時Ni-Cr-Fe三元系中平均互擴(kuò)散系數(shù)，并與實驗值進(jìn)行對比，得出數(shù)值分析結(jié)果與實驗值吻合較好。

4) 800 ℃高溫壓縮時，隨著Cr、Fe元素含量的增加，開孔Ni-Cr-Fe泡沫合金的力學(xué)性能和吸能性能增大。但是，隨著壓縮溫度升高到1000 ℃，由于溫度條件對泡沫合金影響較大，不同組成成分Ni-Cr-Fe泡沫合金單位體積吸能性能值近似相同，單位質(zhì)量吸能性能值僅存在略微差異。

[1] Ashby M F, Evans A G, Fleck N A, Gibson L J, Hutchinson J W, Wadley H N G. Metal foams: A design guide [M]. New York: Butterworth-Heinemann Press, 2000.

[2] 劉培生, 侯紅亮,頃淮斌,王耀奇, 張艷苓. 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高孔率泡沫鈦的特性[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2015, 25(4): 1025?1031.LIU Pei-sheng, HOU Hong-liang, QING Huai-bin, WANG Yao-qi, ZHANG Yan-ling. Characteristic of highly porous foamed titanium with netlike structure[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 25(4): 1025?1031.

[3] 劉 超, 楊海林, 李婧, 阮建明. 生物醫(yī)用多孔Nb-Ti合金的孔隙率和力學(xué)性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2014, 24(3): 752?757. LIU Chao, YANG Hai-lin, LI Jing, RUAN Jian-ming. Porosity and mechanical properties of biomedical porous Nb-Ti alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(3): 752?757.

[4] ILVEN M. Synthesis and characterization of Ti-Co alloy foam for biomedical applications[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2016, 26(1): 126?137.

[5] 范雪柳; 陳祥; 劉興男; 李言祥. 吹氣法制備泡沫鋁的性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2011, 21(6): 1320?1327. FAN Xue-liu, CHEN Xiang, LIU Xing-nan, LI Yan-xiang. Properties of aluminum foam prepared by gas injection method[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(6): 1320?1327.

[6] YUAN Jian-yu, LI Yan-xiang. Effects of cell wall property on compressive performance of aluminum foams[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(5): 1619?1625.

[7] PANG Qiu, WU Gao-hui, SUN Dong-li, XIU Zi-yang, ZHANG Qiang, HU Zhi-li. Compressive property and energy absorption characteristic of 3D open-cell Ni-Cr-Fe alloy foams under quasi-static conditions[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(S2): s566?s572.

[8] Pang Q, Wu G H, Xiu Z Y, Jiang L T, Sun D L. Microstructure, oxidation resistance and high-temperature strength of a new class of 3D open-cell nickel-based foams[J]. Materials Characterization, 2012, 70: 125?136.

[9] Fiedler T, Sulong M A, Mathier V, Belova I V, Younger C, Murch G E. Mechanical properties of aluminium foam derived from infiltration casting of salt dough[J]. Computational Materials Science, 2014, 81: 246?248.

[10] 陳勁松. 電解液噴射沉積法制備泡沫鎳的力學(xué)性能[J]. 有色金屬工程, 2013, 3(4): 25?27. CHEN Jin-song. Mechanical properties of nickel foam prepared by electrolytic injection deposition[J]. Nonferrous Metals Engineering, 2013, 3(4): 25?27.

[11] Queheillalt D T, Hass D D, Sypeck D J, Wadley H N G. Synthesis of open-cell metal foams bytemplated directed vapor deposition[J]. Journal of Materials Research, 2001, 16(4): 1028?1036.

[12] KARIMI ZARCHI H R, SOLTANIEH M, ABOUTALEBI M R, GUO X. Kinetic study on NaF-activated pack-aluminizing of pure titanium at 950?1100 ℃[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(6): 1959?1968.

[13] Farhan S, Wang R M, Li K Z. Characterization of latticed SiC nanowires containing coating for carbon foam using carbonization activated pack cementation process[J].Journal of Alloys and Compounds,2016, 682: 695?705.

[14] 吳多利, 姜肅猛, 范其香, 宮 駿, 孫 超. 鎳基高溫合金Al-Cr涂層的恒溫氧化行為[J]. 金屬學(xué)報, 2014, 50(10): 1170?1178. WU Duo-li, JIANG Su-meng, FAN Qi-xiang, GONG Jun, SUN Chao. Isothermal oxidation behavior of Al-Cr coating on Ni-based superalloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2014, 50(10): 1170?1178.

[15] 吳銘方, 匡泓錦, 王 斐, 胥國祥. 液?固擴(kuò)散焊復(fù)合連接Ti(C, N)與40Cr的界面行為與接頭強度[J].焊接學(xué)報, 2014, 35(5): 5?8.WU Ming-fang, KUANG Hong-jin, WANG Fei, XU Guo-xiang. Interfacial behavior and joint strength of Ti (C, N) and 40Cr joints obtained by liquid-solid diffusion hybrid bonding method[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2014, 35(5): 5?8.

[16] 王明軍, 李春福, 文 平, 張鳳春, 王 垚, 劉恩佐. Cr, Mo, Ni在γ-Fe(C)中的鍵合性質(zhì)及對相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[J]. 物理學(xué)報, 2016(3): 246?255.WANG Ming-Jun, LI Chun-fu, WEN Ping, ZHANG Feng-chun, WANG Yao, LIU En-zuo. The bond characters and phase stability effects of Cr, Mo and Ni in bulk-Fe(C)[J]. Acta Physica Sinica, 2016(3): 246?255.

[17] 吉國強, 葉小機, 梁 慧, 龐 秋. Ni-Cr-Fe高溫泡沫合金的制備及抗氧化性能研究[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(22): 56?60. JI Guo-qiang, YE Xiao-ji, LIANG Hui, PANG Qiu. Research on preparation and oxidation resistance of Ni-Cr-Fe superalloy foams alloy[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(22): 56?60.

[18] Matuszak D, Donohue M D. Inversion of multicomponent diffusion equations[J]. Chemical Engineering Science, 2005, 60: 4359?4367.

[19] 張曉偉, 王彥莉, 陳 利, 張慶明. 多孔金屬介質(zhì)的力學(xué)性能及其參數(shù)依賴性研究[J].材料工程, 2014, 2: 55?59.ZHANG Xiao-wei, WANG Yan-li, CHEN Li, ZHANG Qing-ming. Mechanical properties of porous metal materials and their dependence on geometric parameters[J]. Journal of Materials Engineering, 2014, 2: 55?59.

[20] 黃 粒, 楊東輝, 王 輝, 葉 豐, 呂昭平. 鈧鋯元素增強泡沫鋁合金的壓縮和吸能性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2014, 24(3): 718?724. HUANG Li, YANG Dong-hui, WANG Hui, YE Feng, Lü Zhao-ping. Improving compressive strength and energy absorption properties of cellular Al foams alloyed with Sc and Zr[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(3): 718?724.

Preparation and high temperature mechanical properties of open-cell Ni-Cr-Fe alloy foams

Pang Qiu1, 2, Hu Zhi-li2, Sun Dong-li3

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Donghu University, Wuhan 430212, China; 2. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automobile Parts, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In order to meet the requirements of the high melting point open-cell foams in aerospace applications and in view of the problems existed in open-cell foams with the low-melting point, poor strength and oxidation resistance, low porosity and uneven distribution of pore, the 3D reticulated Ni-Cr-Fe alloy foams with 95% porosity were synthesized by co-deposition of chromium and iron onto open?cell nickel foams. Then the open-cell Ni-Cr-Fe foams were homogenized by the high-temperature solid-phase diffusion. To understand the rule betweenNi-Cr-Fe skeleton formation and element diffusion behavior, the microstructure and elemental analysis of the open-cell Ni-Cr-Fe alloy foams were conducted by scanning electron microscopy (SEM) and energy spectrum diffraction (EDS) before and after homogenized. At the same time, the quasi-static compression and energy absorption performance of the open-cell Ni-Cr-Fe alloy foams were studied at 800 ℃ and 1000 ℃, respectively. The results show that the Cr, Fe and Ni concentration gradients are smooth along the strut thickness, when the diffusion time of high temperature solid phase is extended. The struts of open-cell Ni-Cr-Fe alloy foams are homogenizedafter heat treatment at 1200 ℃ for 48 h. As compared with the open-cell Ni foam, the Ni-Cr-Fe alloy foams keep the original reticulated structure. At the same time, the Ni-Cr-Fe alloy foams show the deformation characteristics of typical ductile metal foams in the high temperature compression test. With the increase of Cr and Fe contents in the alloy foams, the compression strengths of the open-cell Ni-Cr-Fe alloy foams increase and the energy absorption performances first increase and then decrease.

open-cell metal foam; pack cementation process; high-temperature solid-phase diffusion; alloying; mechanical properties

Project(51501133) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(T201629) supported by the Universities of Hubei Province Outstanding Young Scientific and Technological Innovation Team Plans, China; Project(AWJ-M16-11) supported by the State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, China

2016-06-17;

2018-06-13

HU Zhi-li; Tel: +86-27-87856733; E-mail: zhilihuhit@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.08.15

1004-0609(2018)-08-1609-14

TB34

A

國家自然科學(xué)基金資助項目(51501133)；湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊項目(T201629)；先進(jìn)焊接與連接國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))開放研究課題基金項目(AWJ-M16-11)

2016-06-17；

2018-06-13

胡志力，副教授，博士；電話：027-87856733；E-mail: zhilihuhit@163.com

(編輯 何學(xué)鋒)