白亞平,李建平,郭永春,羅佳佳,李亮亮

(西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院,西安 710021)

隨著發(fā)動機(jī)升功率的提高，軍用發(fā)動機(jī)缸蓋材料由起初的鋁合金轉(zhuǎn)為鑄鐵材料[1]?；诟吖β拭芏炔裼蜋C(jī)缸蓋所用材料鋁合金強(qiáng)度的不足，目前常用缸蓋材料為強(qiáng)度較鋁合金高的鑄鐵材料，這不僅使得發(fā)動機(jī)重量增大，且設(shè)計(jì)繁瑣，輸出效率降低。

Fe-Al金屬間化合物主要包括Fe3Al合金和FeAl合金[2-4]，其因具有良好的腐蝕抗力且不含稀貴合金元素Ni、Ti等，成本較低，僅不銹鋼的1/3，在民用工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景十分廣闊[5]。但Fe3Al性能具有兩方面重要的不足：室溫脆性大和600°C以上高溫力學(xué)性能急劇下降。眾所周知，材料的硬度和韌性是其磨損抗力和服役安全性的重要影響因素，因此改善Fe3Al的上述缺點(diǎn)成為重中之重。目前改善Fe3Al金屬間化合物性能可以通過合金化、熱處理、細(xì)化晶粒、表面處理及復(fù)合強(qiáng)韌化等幾個(gè)方面。其中合金化研究中，Cr、Mn、Mo等合金元素可以有效地提高Fe3Al金屬間化合物的室溫延展性，其中Cr元素的效果最為明顯。這主要是由于Cr可有效地降低Fe3Al金屬間化合物的有序度和反相疇界能，使a0<111>全位錯(cuò)分解為a0/4<111>分位錯(cuò)，使其更易發(fā)生交滑移[1,6-8]。此外，Cr元素還可改變Fe3Al金屬間化合物的表面氧化膜成分、結(jié)構(gòu)及形成動力學(xué)，從而減弱環(huán)境脆性[9]。Mo元素可有效地提高有序化溫度，從而提高Fe3Al金屬間化合物的高溫強(qiáng)度及抗蠕變性能[1,9]。

因此文中主要研究機(jī)械合金化與熱壓燒結(jié)相結(jié)合的方法制備不同Cr/Mo含量的Fe3Al基合金，以望提高其硬度和韌性，進(jìn)而增強(qiáng)復(fù)合材料的磨損抗力和服役安全性。通過對其進(jìn)行顯微組織，室溫力學(xué)性能、油潤滑狀態(tài)下的磨損行為分析，得出合金元素Cr/Mo對Fe3Al合金的組織和性能影響規(guī)律，進(jìn)一步探索Fe3Al基合金在軍用發(fā)動機(jī)缸蓋上的應(yīng)用可能性。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用機(jī)械合金化和熱壓燒結(jié)相結(jié)合的方法制備不同合金元素的Fe3Al基合金，分別為Fe3Al、Fe3Al-5%Cr、Fe3Al-2%Mo、Fe3Al-5%Cr-2%Mo(以上百分含量均為原子百分含量)。本試驗(yàn)采用YXQM行星式球磨機(jī)制備合金粉體。球磨過程中的試驗(yàn)參數(shù)為：5%硬脂酸作為過程控制劑；轉(zhuǎn)速為200 r·min-1；球料比10∶1；球磨時(shí)間30 h，制備Fe3Al基合金粉體試樣。通過計(jì)算得出粉體含量為表1。熱壓燒結(jié)工藝：采用上海辰華電爐有限公司生產(chǎn)的真空熱壓爐(Zt-40-297)進(jìn)行制備，燒結(jié)溫度1 100 ℃，熱壓壓力3.66 MPa，加熱4 h。

表1 機(jī)械合金化粉體為60 g時(shí)反應(yīng)粉體所需量(g)

采用掃描電子顯微鏡對制備好的塊體Fe3Al基合金的微觀組織形貌進(jìn)行觀察；利用X射線衍射儀對其進(jìn)行物相分析；利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行壓縮性能測試。采用MMG-500型銷高溫真空三體磨損試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行油潤滑條件的摩擦磨損試驗(yàn)，探究合金元素對磨損性能的影響規(guī)律以及磨損機(jī)理。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 顯微組織

對熱壓燒結(jié)的Fe3Al基合金塊體試樣進(jìn)行SEM和XRD測試分析分析，觀察熱壓后塊體顯微組織均勻性，如圖1所示。

從圖1中可以看出，燒結(jié)后的Fe3Al基合金顯微組織中均存在些許孔洞，且Fe3Al居多，總體Fe3Al-5%Cr-2%Mo組織均勻性要優(yōu)于其他三種成分，采用阿基米德原理進(jìn)行致密度測試，結(jié)果同樣證明Fe3Al-5%Cr-2%Mo合金的致密度最大，達(dá)到98.8%，較相同制備工藝下得到的Fe3Al的致密度(97.2%)有所提高。說明合金元素Cr、Mo可改善Fe3Al基體組織均勻性，減少缺陷。此外，F(xiàn)e3Al基合金塊體試樣的XRD分析結(jié)果中沒有顯示Cr、Mo合金元素的衍射峰，說明熱壓燒結(jié)過程中Cr、Mo合金元素完全固溶至Fe3Al基體中。

圖1 不同F(xiàn)e3Al基合金的微觀組織形貌和物相分析

2.2 力學(xué)性能

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對Fe3Al基合金進(jìn)行壓縮性能測試，試樣尺寸為4×4×6 mm，壓縮速率0.2 mm·min-1。Fe3Al、Fe3Al-2%Mo、Fe3Al-5%Cr-2%Mo三種材料經(jīng)壓縮實(shí)驗(yàn)后均被壓碎，而Fe3Al-5%Cr合金則沒有明顯的破壞現(xiàn)象，最終被壓扁，而不是壓碎。圖2為四種試樣Fe3Al與Fe3Al-5Cr、Fe3Al-2Mo、Fe3Al-5Cr-2Mo的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。由圖2 可以看出，F(xiàn)e3Al-5%Cr合金具有最大的延伸率，且試樣經(jīng)壓縮實(shí)驗(yàn)后僅是壓扁，尚未壓碎，進(jìn)一步說明其具有良好的韌性。表2為四種Fe3Al基合金的硬度和抗壓強(qiáng)度。結(jié)合圖2和表2可以看出，F(xiàn)e3Al-2%Mo材料具有相對較大的硬度和壓縮強(qiáng)度，說明合金元素Mo能夠增強(qiáng)Fe3Al基體的硬度和強(qiáng)度。Fe3Al-5%Cr材料的延伸率較大，說明合金元素Cr對Fe3Al合金的韌性改善顯著。

圖3為Fe3Al、Fe3Al-2Mo和Fe3Al-5Cr-2Mo的壓縮斷口掃描照片。由圖3可知，F(xiàn)e3Al、Fe3Al-2Mo兩種試樣的斷裂類型均屬于脆性斷裂，而Fe3Al-5Cr-2Mo斷口形貌中可以明顯看出存在些許韌窩，這可以推斷出合金元素Cr的加入能夠改善Fe3Al合金的韌性。

圖2 Fe3Al基合金應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 Fe3Al基合金的硬度和抗壓強(qiáng)度

圖3 Fe3Al基合金壓縮斷口掃描照片

2.3 磨損行為測試

本試驗(yàn)的油潤滑磨損性能測試在銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所用銷試樣(Fe3Al基合金)尺寸為5 mm×5 mm×10 mm，對磨盤選用蠕鐵材料(硬度136 HB)，試樣尺寸為?44 mm×5 mm，表面粗糙度Ra≤0.6 μm。油潤滑模擬工況為：潤滑油潤滑，以20滴·min-1的頻率以及上銷下盤的配副方式保證材料處于油潤滑狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)中所用銷盤式干滑動摩擦磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。

圖4為四種Fe3Al基合金的摩擦系數(shù)和磨損率。從圖4可知，摩擦系數(shù)和磨損率對比結(jié)果：Fe3Al-2%Mo

表3 磨損試驗(yàn)參數(shù)

圖4 Fe3Al基合金的摩擦系數(shù)和磨損率

對磨損后的試樣進(jìn)行掃描電鏡和3D掃描電子顯微鏡觀察，結(jié)果如圖5。從圖5(a)、(d)中可以看出有顯微犁溝的存在，圖5(b)、(c)中黑色的部分為氧化層，氧化層在磨損過程中起到減磨作用，降低了材料的摩擦系數(shù)和磨損率，但其基體要有足夠的強(qiáng)度和硬度能良好的支撐該氧化層。由圖5可以看出，F(xiàn)e3Al基合金的磨損機(jī)制為以顯微切削為主，存在少量氧化磨損。圖5顯示Fe3Al-5%Cr磨損面粗糙度最大，且表面存在氧化物剝落現(xiàn)象，這是由于基體硬度較低，而對磨損過程中表面產(chǎn)生的氧化物不能起到良好支撐作用所致；Fe3Al-2%Mo的粗糙度最小，磨損表面波高僅約Fe3Al材料的1/3，說明Fe3Al-2%Mo的磨損性能最好。磨損性能測試結(jié)果與力學(xué)性能分析結(jié)果相吻合。

圖5 不同F(xiàn)e3Al基合金磨損表面掃描形貌和3D掃面結(jié)果

3 結(jié) 論

文中通過高能球磨與熱壓燒結(jié)相結(jié)合的方法制備四種Fe3Al基合金塊狀試樣：Fe3Al、Fe3Al-5%Cr、Fe3Al-2%Mo、Fe3Al-5%Cr-2%Mo，通過對其顯微組織，力學(xué)性能、油潤滑狀態(tài)下的磨損性能測試分析等，得出以下結(jié)論：

1) 顯微組織分析可知：Fe3Al-5%Cr-2%Mo的組織較其他Fe3Al基材料的組織分布更為均勻，說明合金元素Cr和Mo可改善材料組織均勻性。

2) 力學(xué)性能分析可知：合金元素Mo能夠顯著提高Fe3Al合金的硬度和壓縮強(qiáng)度，而合金元素Cr的加入則對其韌性改善更為明顯。

3) 磨損性能分析可知：合金元素Mo的加入可有效改善材料的磨損性能，降低試樣的摩擦系數(shù)和磨損率，且磨損表面波高僅約Fe3Al材料的1/3。