微纳米多孔结构铁合金的制备与性能研究

《微纳米多孔结构铁合金的制备与性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、国内图书分类号：TF124密级：公开国际图书分类号：669西南交通大学研究生学位论文微纳米多孔结构铁合金的制备与性能研究年级2012级姓名崔国栋申请学位级别博士专业材料科学与工程指导老师陈俊英教授二零一七年九月三十日ClassifiedIndex:TF124U.D.C:669SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationPREPARATIONANDPROPERTIESOFMICRO-NANOPOROUSSTRUCTUREIRONALLOYSGrade:2012Candidate:GuodongCuiAcademicDegreeApplie

2、dfor:DoctorSpeciality:MaterialsScienceandEngineeringSupervisor:JunyingChenSeptember30th,2017西南交通大学博士研究生学位论文第I页摘要多孔金属材料是最近几十年发展起来的一种兼具结构和功能特性的新型金属材料，基于其具有的轻质、减震和能量吸收等特点，在现代交通领域的防撞击装置和减震降噪部件上具有很好的应用前景。相对于多孔铝、钛、镍及其合金等，铁及铁合金具有更为广泛的应用背景和优异的力学性能，但是，其复杂的制备工艺、较高的制备成本限制了其发展和应用。因此，如何简化制备工艺和大幅度改善力学性能将是未来多孔铁合金发

3、展面临的主要问题。对于一定孔隙率的多孔金属材料，减小孔隙尺寸不但可以大幅度增加比表面积和界面面积，还有利于细化微观组织结构和改善力学性能。因此，本论文在前期研究工作的基础上，为进一步改善多孔铁合金的力学性能和减少制备过程中发泡剂（或造孔剂）对环境的影响，提出了以亚微米多孔结构Fe-N合金粉末为原材料，采用烧结的技术制备具有微纳米多孔结构铁合金的研究思路与方法。在这一研究思路的指导下，首先通过氨气还原氧化铁的方法合成了Fe-N合金粉末，经表证，该Fe-N合金粉末的平均粒径为360纳米，主要成分为ζ-Fe2N和ε-Fe3N，具有多孔结构，平均孔径为89.8纳米。通过差热分析和真空退火处理测试了该F

4、e-N合金粉末的热稳定性，结果表明该亚微米多孔Fe-N合金粉末是亚稳定的，在240℃-780℃范围内加热，随着温度的升高会连续发生相变脱氮反应，由高氮含量的ζ-Fe2N逐渐向低氮含量的Fe-N合金转变，最后全部转变为接近纯铁成分的α-Fe。其次，以亚微米多孔Fe-N合金粉末为原材料，分别采用普通高温炉和放电等离子体烧结（SPS）炉进行烧结，研究了烧结工艺对烧结后样品微观组织结构、致密度和压缩性能的影响。结果表明：在普通高温炉中烧结，当温度达到950℃以上时，粉末之间的间隙随着烧结“颈”的快速形成和长大而消失，晶粒明显粗化，并吞噬了大量的孔隙获得了较致密的结构，烧结后样品的主要成分为α-Fe，展

5、示了较高的压缩强度和优异的塑性。采用SPS技术在50MPa的轴向压力下对Fe-N合金粉末进行了快速烧结，在较低的烧结温度下可制备得到具有超细晶结构致密的块体Fe-N合金材料。当烧结温度为600℃时，实现了主要成分为γ’-Fe4N的块体Fe-N合金材料的制备，随着烧结温度的升高，样品中的氮浓度逐渐下降，粉末之间的结合得到加强，压缩性能和软磁性能均得到明显改善。当烧结温度为700℃时，样品中形成的γ’-Fe4N和α-Fe的复相结构的形成极第II页西南交通大学博士研究生学位论文大的改善了压缩强度，少量的氮元素起到了明显的强化作用。当烧结温度为750℃时，几乎所有的Fe-N合金都转变为α-Fe，晶粒明

6、显粗化，但有较多的孔隙存在，这主要是烧结过程中的Fe-N合金相变的脱氮反应促成了较多孔隙的形成。同样，当采用无压力SPS工艺对Fe-N粉末进行成型时，在750℃的条件下实现了具有较高孔隙率（>40%）的各向同性孔隙特征的微纳米多孔结构铁合金的制备，该多孔铁合金展示了优异的压缩性能和能量吸收特性，当改变预压成型压力时，可以实现不同孔隙特征的微纳米多孔结构铁合金的制备。烧结过程中的Fe-N合金的相变脱氮反应促成了大量细小孔隙的形成，这些孔隙的弥散分布有效地减缓了晶粒的长大进程，细化了基体的微观组织结构，使基体得到明显强化。再次，为了进一步改善多孔铁合金的硬度和耐蚀性，分别对多孔铁合金进行了Ni-P

7、合金化和表面渗碳强化处理。在亚微米多孔Fe-N合金粉末表面进行化学镀Ni-P合金处理，获得了Fe-N-Ni-P复合粉末，通过900℃下的液相烧结，得到了较高孔隙率（41%）的多孔Fe-Ni-P合金，Ni、P元素的添加有效的改善了多孔铁合金的硬度、强度和耐蚀性。在烧结过程中，P元素的固溶和细小磷化物的析出分别起到了固溶强化和第二相强化的作用。另外，对950℃的条件下对无压力SPS工艺制备的微纳米多孔