周 瑾，白亞平，成 超，李建平，楊 忠

(西安工業(yè)大學 材料與化工學院，西安 710021)

金屬間化合物這一概念在1914年被英國的科學家首次提出，由于其室溫塑性較差，難以切削加工，在當時的研究狀況下，并未得到足夠的重視，而后隨著科技的進步以及相關學者對其原理的深入研究，金屬間化合物逐步成為一個熱門的研究話題。近年來，對于金屬間化合物的研究主要集中圍繞Ni3Al 、NiAl、Fe3Al 、FeAl、Ti3Al和TiAl 等基體，其中FeAl金屬間化合物受到較大的重視[1-7]。FeAl金屬間化合物質(zhì)輕、強度高，且具有較好的高溫強度，優(yōu)良的抗硫化腐蝕性能及造價低等特點[7-9]。相比于陶瓷材料，F(xiàn)eAl金屬間化合物又具有一定的韌性，所以FeAl金屬間化合物又被認為是耐高溫材料界極具潛力的一種材料[7，10-11]。FeAl金屬間化合物的原子比接近1∶1，其密度約為5.56 g·cm-3，低于600 ℃時力學性能穩(wěn)定，其原材料為資源豐富且價格相對低廉的鐵和鋁，生產(chǎn)成本較低，因此，西方國家將其稱之為窮人用得起的不銹鋼[12-13]。但由于其室溫塑性和斷裂韌度較低，導致其難以加工成形，且熱導率低，嚴重阻礙了其實際應用。

傳統(tǒng)FeAl金屬間化合物的制備方法主要為熔融鑄造法，但由于受其設備的限制以及在加工成型過程中的大量浪費，促使人們必須探索新的成型方法[2]。熱壓燒結因其材料利用率高，生產(chǎn)效率高及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢已成為一種新興的材料成型工藝。目前，科研人員對熱壓燒結保溫時間對材料組織及性能影響的相關研究較少，主要集中于研究熱壓燒結溫度和壓力對材料組織及性能影響。如文獻[14]利用熱壓燒結的方法制備FeAl/TiC復合材料，研究了1 250 ℃和1 300 ℃的熱壓溫度下制備的FeAl/TiC復合材料的性能，結果表明，相較于1 250 ℃，在1 300 ℃下燒結的材料的致密度得到了大幅度提升。文獻[15]利用機械合金化與熱壓燒結相結合的方法制備了塊狀納米FeAl金屬間化合物，將Fe (Al)固溶體粉末在1 000 ℃、7.7 GPa的反應熱壓條件下燒結180 s，得到致密度可達99.8%的B2結構FeAl金屬間化合物。研究發(fā)現(xiàn)僅依靠調(diào)整溫度和壓力，材料的致密度無法和熔融鑄造法相媲美，以至于材料的力學性能也相差甚遠[16]。在熱壓燒結的過程中，除了燒結壓力和燒結溫度的影響較大外，保溫時間也是影響材料力學性能的一個重要因素。因此，本文采用機械合金化與熱壓燒結相結合的方法制備B2結構FeAl金屬間化合物塊體，探索熱壓燒結保溫時間對B2結構FeAl金屬間化合物組織及性能的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本文實驗的主要原材料含量(質(zhì)量分數(shù)w/%)及粉體尺寸見表1。

表1 實驗原材料

1.2 實驗方法

1.2.1 B2結構FeAl粉末的制備

將鐵粉和鋁粉按原子比52∶48的比例配置50 g混合粉末，加入5%的硬脂酸作為分散劑。在球料比為10∶1，轉(zhuǎn)速為300 r·min-1的球磨條件下，將混合粉末在KQM-Y/B行星式球磨機上連續(xù)球磨10 h，得到熱處理前復合粉體，再用ZT-40-20Y熱壓燒結爐將其在670 ℃下保溫2 h，得到熱處理后復合粉體。將熱處理前后的復合粉末進行掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)以及X射線衍射(Diffraction of X-Rays，XRD)測試分析。

1.2.2 B2結構FeAl塊體的制備

將B2結構FeAl金屬間化合物粉末在直徑為50 mm的石墨模具中進行熱壓燒結，燒結壓力為25 MPa，溫度為1 050 ℃，保溫時間t分別為1 h、1.5 h、2 h、2.5 h和3 h，得到不同保溫時間熱壓燒結的B2結構FeAl金屬間化合物塊體。

將得到的不同保溫時間B2結構FeAl金屬間化合物塊體通過X射線衍射分析儀(型號：XRD-6000,掃描速度為4(°)·min-1，掃描范圍為20°～90°)及能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)(型號：INCA)分析其物相成分；采用光學顯微鏡(Optical Microscope，OM)(型號：LEICA-DM2700M)和掃描電鏡(型號：Quanta-400F)觀察其顯微組織；利用自動數(shù)顯洛氏硬度計(型號：TH320)和電子萬能拉伸試驗機(型號：D2-0200-1)測試其力學性能。

2 結果及分析

2.1 B2結構FeAl金屬間化合物粉末制備

將熱處理前后的復合粉末進行掃描電子顯微鏡以及X射線衍射測試分析，測試結果如圖1所示。由圖1(a)和圖1(b)可知，熱處理前后的復合粉體均為片塊狀，熱處理后的粉末片塊較熱處理前有略微增大。由圖1(c)可知，熱處理前的復合粉體大部分為Fe(Al)以及少量Al，經(jīng)過熱處理后，F(xiàn)e(Al)和Al的衍射峰消失，B2結構的FeAl金屬間化合物衍射峰出現(xiàn)，說明熱處理可將Fe(Al)轉(zhuǎn)化為B2結構的FeAl金屬間化合物，同時在熱處理的過程中也會生成少量的Al2O3和AlFe3C0.5。這是因為在真空熱處理的過程中，有少量的氧氣會與Al反應生成Al2O3；在真空熱處理時所用坩堝均為石墨材質(zhì)，石墨會與復合粉末發(fā)生反應，生成少量AlFe3C0.5。

圖1 復合粉末熱處理前后的掃描照片以及XRD物相圖譜

2.2 B2結構FeAl金屬間化合物塊體組織及性能

2.2.1 物相分析

將不同保溫時間B2結構FeAl金屬間化合物塊體在不同粗細的砂紙上打磨平整后，采用島津XRD-6000 X射線衍射儀對試樣進行物相分析，不同保溫時間燒結的FeAl塊體的XRD物相圖譜如圖2所示。從XRD物相圖譜上看，不同保溫時間下制備的試樣含有B2結構FeAl金屬間化合物相、AlFe3C0.5相以及Al2O3相。隨著時間的延長，無新相生成，但隨著保溫時間增加至3 h時，Al2O3的衍射峰強度較其他幾個保溫時間明顯增強，說明生成了大量的Al2O3[17]，這是由于保溫時間過長，低氧分壓導致氧化較為嚴重(熱壓燒結真空度為1.2×10-2Pa)。說明熱壓燒結保溫時間雖可使材料致密度增大，但保溫時間過長，B2結構FeAl金屬間化合物的氧化較為嚴重。

圖2 不同保溫時間的FeAl塊體的XRD物相圖譜

2.2.2 顯微組織分析

將不同保溫時間B2結構FeAl金屬間化合物塊體進行打磨拋光后，利用VEGA-ⅡXMU掃描電子顯微鏡在一定的倍數(shù)下觀察其顯微組織，如圖3所示。表2為圖3中對應的能譜1，2，3和4點的EDS分析結果(結果顯示為原子百分比y/%)。結合XRD圖譜可推斷，圖3中白色區(qū)域主要為B2結構FeAl金屬間化合物，灰色部分主要為Al2O3，以及存在少量黑色針條狀的物質(zhì)(圖3(b)放大區(qū)域較為明顯)，結合能譜2和4點的EDS測試結果可推斷，黑色針條狀物質(zhì)為富碳相。從不同保溫時間B2結構FeAl金屬間化合物塊體的顯微組織可以看出，隨著保溫時間的增加，孔洞逐漸減少，試樣逐漸致密，Al2O3逐漸增加，白色的FeAl塊狀逐漸變小，各物相分布越來越均勻。

圖3 不同保溫時間下FeAl塊體的顯微組織

Fig.3 Microstructure of FeAl matrix at different holding time

表2 圖3中1，2，3和4點的EDS 分析結果

2.2.3 密度分析

采用阿基米德排水法測試不同保溫時間下B2結構FeAl金屬間化合物塊體的密度ρ，將試樣放在稱量紙上記重量為M空，將試樣表面均勻涂抹凡士林，稱其重量記為M凡空，將涂抹凡士林的試樣放入水中稱量記重量為M凡水，密度計算表達式為

(1)

其中ρ水為0.998 g·cm-3。

不同保溫時間下FeAl塊體的密度測試結果如圖4所示。由圖4可見，不同保溫時間B2結構FeAl金屬間化合物塊體的密度隨著時間的增加呈逐漸增大趨勢，待保溫時間增大到2 h以后，密度趨于穩(wěn)定。說明當保溫時間為2 h時，B2結構FeAl金屬間化合物塊體已經(jīng)達到致密化，不再隨著保溫時間的增加而增加，此時密度達到4.926 g·cm-3。

圖4 不同保溫時間下FeAl塊體的密度

2.2.4 硬度分析

采用自動數(shù)顯洛氏硬度計對不同保溫時間B2結構FeAl金屬間化合物塊體進行硬度測試，每次測試7個點，求其平均值，測試結果如圖5所示。由圖5可見，隨著保溫時間的增加，硬度呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，當保溫時間為2.5 h時，硬度達到最大值37.4 HRC。這是因為隨著時間的增加，試樣變得更加致密，且各物相分布逐漸均勻，所以硬度逐漸增加。隨著保溫時間的進一步增加，到了3 h時，由于保溫時間過長，Al2O3進一步增多，而Al2O3與B2結構FeAl金屬間化合物的界面結合性較差，導致硬度降低。

圖5 不同保溫時間下FeAl塊體的硬度

2.2.5 抗拉強度分析

采用萬能實驗機對不同保溫時間的B2結構FeAl金屬間化合物塊體進行抗拉強度測試，測試結果如圖6所示。由圖6(a)和圖6(b)可知，不同保溫時間B2結構FeAl金屬間化合物的應力-應變(σ-ε)為微彎曲曲線，且延伸率較小(均小于2%)，無屈服和頸縮現(xiàn)象，因此，可以判斷出B2結構FeAl金屬間化合物為脆性材料。

圖6 不同保溫時間下FeAl塊體的應力-應變與抗拉強度

由圖6(a)～(c)可知，隨保溫時間的增加，抗拉強度呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，當保溫時間為1 h時，抗拉強度達到最小值406.4 MPa，此時材料的延伸率為1.656%；當保溫時間為2.5 h時，抗拉強度達到最大值439.2 MPa，此時材料的延伸率為1.733%；當保溫時間為3 h時，抗拉強度為420.2 MPa，較保溫2.5 h有所下降，此時材料的延伸率為1.727%。這是因為隨著保溫時間的增加，B2結構FeAl金屬間化合物的致密度提高，組織越來越均勻，所以抗拉強度隨之提升。當保溫時間到3 h時，Al2O3進一步增多，但Al2O3與B2結構FeAl金屬間化合物的界面結合性較差，導致抗拉強度降低[18-19]。因此，保溫時間過長，反而會導致材料力學性能下降。

2.2.6 斷口形貌分析

將不同保溫時間B2結構FeAl金屬間化合物塊體的拉伸斷口置于VEGA-ⅡXMU掃描電子顯微鏡下，放大不同倍數(shù)，觀察其組織形貌。通過對5個保溫時間的材料斷口形貌進行分析發(fā)現(xiàn)，材料的斷裂機理以及裂紋擴展方式并未隨保溫時間的增加而發(fā)生改變，因此，本文僅選取了能代表力學性能變化趨勢的起始點(保溫時間為1 h)、最高點(保溫時間2.5 h)及下降點(保溫時間3 h)進行斷口形貌分析，結果如圖7所示。由圖7(a)、圖7(c)和圖7(e)可知 ，保溫時間分別為1 h、2.5 h和3 h的B2結構FeAl金屬間化合物的斷口平齊，有明顯的人字狀花樣。由圖7(b)、圖7(d)和圖7(f)可以看出，保溫時間分別為1 h、2.5 h和3 h的B2結構FeAl金屬間化合物的斷口出現(xiàn)大量的冰糖狀顆粒，且有許多的結晶狀花樣。保溫1 h時，在斷口處可以明顯地看到有孔洞，隨著保溫時間的增加，孔洞消失。冰糖狀顆粒隨著保溫時間的增加逐漸變大，尤其是在保溫3 h時，此現(xiàn)象尤為明顯，說明隨著保溫時間的增加，晶粒逐漸變大。因此可知，保溫時間小于2.5 h階段抗拉強度逐漸增加的主要原因為試樣逐漸致密。保溫3 h時，抗拉強度下降是由于晶粒過于粗大，Al2O3過多，而Al2O3與基體的結合性能較差，導致抗拉強度降低。

圖7 保溫1 h、2 h和2.5 h熱壓燒結B2結構FeAl金屬間化合物的斷口形貌

由圖7可以看出，B2結構FeAl金屬間化合物的斷裂方式為沿晶脆性斷裂，斷裂機理為解理斷裂。隨著保溫時間的增加，斷裂方式、斷裂機理及裂紋擴展方式并未發(fā)生改變。FeAl金屬間化合物的室溫脆性除了由它的本征脆性所決定外，更多是由于FeAl金屬間化合物的氫脆所致。在斷裂的瞬間，空氣中的水蒸氣與裂紋尖端新裸露的Al發(fā)生了化學反應(2Al+3H2O→Al2O3+6[H])，產(chǎn)生了大量的高活性氫離子，這些高活性的氫進入金屬間化合物，大大增加了材料的脆性，使材料的塑韌性降低[4,7,20]。

3 結 論

基于高能球磨采用熱處理工藝制備B2結構FeAl金屬間化合物粉體，將粉體經(jīng)不同保溫時間熱壓燒結得到B2結構FeAl金屬間化合物塊體，并對其微觀組織、密度和力學性能進行測試分析，得到結論為：

1) 熱壓燒結的B2結構FeAl金屬間化合物塊體中均含有B2結構FeAl金屬間化合物相、AlFe3C0.5相以及Al2O3相；隨著保溫時間的增加，各物相的分布越來越均勻，氧化越來越嚴重，Al2O3越來越多。

2) B2結構FeAl金屬間化合物的密度隨著熱壓燒結保溫時間的增加呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的趨勢，保溫時間為2h時，密度趨于穩(wěn)定，此時密度值為4.926 g·cm-3。

3) B2結構FeAl金屬間化合物的硬度和抗拉強度隨時間的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當保溫時間為2.5 h時，硬度達到最大值39.4 HRC，較保溫時間為1 h時增大2.19%；抗拉強度達到最大值439.2 MPa，較保溫時間為1 h時增大8.07%。B2結構FeAl金屬間化合物的斷裂方式為沿晶脆性斷裂，斷裂機理為解理斷裂。