Fe-AI金屬間化合物基疊層復合材料的界面表征及生長動力學研究

滿婷　魏振雄　蘇喜喜　祖國胤

摘要：將SUS441不銹鋼薄板和1060純鋁薄板交替疊放后，經“軋制復合—合金化退火”工藝制得Fe-AI金屬間化合物基疊層（Fe-AI metal-intermetallic-laminate，Fe-AI MIL）復合材料。采用光學顯微鏡（ optical microscope，OM）、掃描電子顯微鏡（scannlng electron nucroscope，SEM）、X射線衍射儀（ X-ray diffractometer，XRD）等設備測試了不同熱處理制度下Fe-AI MIL復合材料的界面微觀組織形貌、物相組成及化合物生長行為。結果表明：在640℃退火時，均勻層的主要物相為Fe2A15，且有原子分數為5%～6%的Cr固溶于該均勻層；在高于640℃退火時，除由Fe，Al5相組成的均勻層之外，化合物層還出現了明顯的由Fe4A113相和Cr2A113相組成的兩相層，且兩相層交界處有A15.50Crl.95Fe2.55相析出；金屬間化合物的厚度隨退火溫度的升高及時間的延長而增加，Fe2A15相的生長規律滿足拋物線法則．其生長激活能為192.28 kj/mol。

關鍵詞：金屬間化合物基疊層復合材料；軋制復合；界面；金屬間化合物；生長動力學

中圖分類號：TG 142.71；TG 146.21 文獻標志碼：A

金屬一金屬間化合物基疊層（ metal-intermetallic-laminate，MIL）復合材料是人們在研究貝殼珍珠層微結構和強韌化機制的基礎上設計出的一種將金屬間化合物與韌性金屬或合金交替排列的新型復合材料[1-3]。MIL復合材料既具備金屬間化合物的高硬度、高剛度的特點，又具有韌性相高韌、高塑性的優點，使其在汽車、航空、航天等領域具有廣闊的應用前景[4-5]。

Harach等[1]在2001年首次利用“緩反應燒結”的概念在Ti-AI系中合成了MIL復合材料。此后，對Ti-AI系MIL復合材料的研究大多集中在其斷裂機制[6-9]及其性能的優化方面。然而，Ti-AI系MIL復合材料形成的金屬間化合物只有單一的A13Ti相，其塑性較差，這大幅限制了該復合材料的發展。為了提高相關復合材料的塑性，并降低生產成本，Ni-AI系[10-11]和Fe-AI[12-14]復合材料引起了人們的關注，在上述體系中可能存在韌性較強的FeAI，Fe2A1[15-16]金屬間化合物相，這些韌性相在一定程度上可以提高相關復合材料的韌性。MIL復合材料的制備方法主要有爆炸焊接法[17]、熱等靜壓法[11-12]、軋制復合法[18-19]等，其中，軋制復合法具有環境友好、自動化程度高、可連續化生產、可制備大尺寸復合材料等優點[20]。近年來，大多研究都是基于熱等靜壓成形技術來制備復合板材，并對原始金屬箔材的分層厚度比、組織與性能、化合物相形成的熱力學與動力學、原位裂紋演變觀察與失效機制等方面展開研究[21-22]，對采用軋制技術及合金化熱處理工藝所制備的MIL復合材料的界面情況研究較少。對于熱軋復合法而言，復合板的界面結合力較高，易于產生裂紋偏轉、裂紋尖端鈍化、裂紋局部應力再分布等增韌現象，可大幅增加復合材料的斷裂韌性。較高的界面結合力可以緊緊束縛住脆性金屬間化合物層，使金屬間化合物層延時開裂，提升復合材料整體的塑性[23]。

綜上，本文經“軋制復合一合金化退火”工藝制備了Fe-AI金屬間化合物基疊層（Fe-AI metal-intermetallic- laminate，Fe-AI MIL）復合材料，研究了不同熱處理制度下Fe-AI系金屬間化合物的演變規律，揭示了相關金屬間化合物的生長行為。研究結果為近凈成形制備Fe-AI MIL復合材料的熱處理工藝的制定提供了理論基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 原料及制備過程

本試驗所用材料為退火態的SUS441不銹鋼薄板和1060純Al薄板（下文統稱：不銹鋼薄板、純Al薄板）。不銹鋼薄板尺寸為100.0 mmx60.0 mmx1.0 mm，純Al薄板尺寸為100 mmx60 mmx0.4 mm。不銹鋼薄板與純Al薄板的化學成分分別如表1、表2所示。

試驗工藝路線：表面預處理一軋制復合一合金化退火。首先，對兩種薄板的表面進行預處理，具體操作方法：先用丙酮將兩種薄板浸泡5 min，去除表面油脂，將不銹鋼薄板用鋼刷打磨，將純Al薄板用600目砂紙沿軋制方向打磨，使新鮮的金屬露出表面；然后，用10% NaOH水溶液（質量分數）將兩種薄板清洗5 min，冷水沖洗；最后，將兩種薄板置于無水乙醇中超聲波清洗10 min，快速吹干。將經過表面預處理的不銹鋼薄板（共3層）和純Al薄板（共2層）交替層疊，將頭部進行鉚接固定，如圖1所示。采用東北大學RAL國家重點實驗室的四輥可逆冷軋試驗軋機進行軋制復合試驗。試驗樣品在420℃保溫20 min后，分3道次軋制，多道次軋制可以最大限度地使薄板協調變形，以保證層間平直度，各道次變形量分別為30%，25%，20%，總變形量為75%。合金化退火試驗在箱式電阻爐中進行，退火溫度為620～660℃，保溫時間為30～120 min，出爐空冷。

1.2測量及表征

采用OLYMPUS-DSX500型倒置式光學顯微鏡（ optical microscope，OM）對合金化熱處理后的金屬間化合物層的厚度進行測量。由于界面金屬間化合物層厚度存在波動，所以需測量金屬間化合物層的面積和長度，并計算金屬間化合物層的平均厚度。采用JXA-8530F型電子探針X射線顯微分析儀（X-ray electron probe microanalyzer， EPMA）及其自帶的能譜儀（energy disperse spectroscopy，EDS）對合金化退火后的試驗樣品的界面結合區域進行分析。利用X Pero Pro型多晶X射線衍射儀（X-raydiffractometer，XRD）分析剝離后金屬間化合物層的物相組成。

2 結果與分析

2.1 復合材料界面的組織演變與相組成

圖2為復合材料界面在660℃退火30 min時的SEM圖和EDS分析結果。從圖2（a）中可以看出，金屬間化合物層與不銹鋼側的界面較為光滑，與純Al側的界面為細小的鋸齒狀，這跟純Fe與純Al反應界面的“舌狀特征”截然不同，這是因為不銹鋼中的Cr參與了Fe，Al之間的互擴散，致使Fe2A15相的“舌狀特征”消失[24]。從圖2（b）中可以看出，在整個復合界面上，Fe，Al，Cr均發生了明顯的互擴散現象，在金屬間化合物層存在3種元素的強度幾乎保持不變的平臺區，即橫坐標為180～226 μm處的平臺區所對應的均勻層區、橫坐標為170～180 μm處的平臺區對應的兩相層致密區、橫坐標為160～170 μm處的平臺區對應的兩相層靠近純Al的不連續區。

圖3為不同溫度下退火60 min時的復合材料界面的SEM圖。在620℃退火時，生成了單一的金屬間化合物。在650℃和660℃退火時，獲得的金屬間化合物層具有雙相層結構，即靠近不銹鋼側的致密均勻層和靠近純Al側的多孔非均勻層（兩相層），兩相層以淺灰色物相（點E、點H）為基底均勻分布著深灰色物相（點F、點I），并在均勻層與兩相層的交界處分布著白色小顆粒（點G）。此外，在660℃退火時，Al層中形成了較大的塊狀相（點K）和針狀相（點J）。

為了明確界面各層所對應的物相，對不同溫度下退火60 min時的試驗樣品的SEM圖中的各點進行了EDS分析，相應的化學成分見表3。對圖3（b）對應的截面以及圖3（c）對應的剝離后的不銹鋼側進行XRD分析，得到整個化合物層的物相，如圖4所示。由EDS和XRD的分析結果可知，試驗樣品的均勻層中的金屬間化合物主要由Fe2A15相構成，兩相層金屬間化合物以Fe4A113相為基底，上面分布著富Cr的第二相A113（Cr，Fe）2、針狀相Fe4A113、較大塊狀相Cr2A113。

2.2 界面金屬間化合物生長動力學

反應擴散是金屬間化合物生長的經典理論，在金屬間化合物生長初期，有一段擴散孕育期。在特定溫度下，界面生成化合物厚度X與時間t的關系可以用指數關系（式1）表示。當動力學指數n=1.00時，表明界面反應速率為金屬間化合物的生長控制因素，金屬間化合物層厚度與時間之間表現為直線關系；當n=0.50時，表明金屬間化合物的生長由擴散速率所控制，金屬間化合物層厚度與時間之間呈拋物線關系；當n=0.25時，反應擴散受晶界擴散的控制，它比晶格擴散快，但隨著溫度的升高，這種更快的擴散路徑變得不那么明顯[25-26]。

Wang等[27]和Flandorfer等[28]發現，在Ag-Sn，Ni-Sn，Cu-Sn等二元互擴散體系以及在Al-Fe-Cr三元互擴散體系中會生成多個金屬間化合物，形成多層化合物層，雖然每種化合物層的生長嚴格遵循一個標準的生長機制，但化合物層總厚度的增加展現出“混合動力學生長機制”。因此，本試驗以生成的主要金屬間化合物Fe2A15相為研究對象，探究其生長機制。表4所列為不同退火工藝下金屬間化合物層的平均厚度。隨退火溫度的升高和時間的延長，金屬間化合物層厚度增加，但不是簡單的正比關系。

根據金屬間化合物生長動力學模型[28]，金屬間化合物層的厚度與擴散時間的關系可由下式表示：

3 結論

（1）試驗樣品的化合物層由多層組成，640℃時，均勻層的主要物相組成為Fe2A15相，其中固溶了原子分數為5%～6%的Cr；高于640℃，除由Fe2A15相組成均勻層外，出現了明顯的由Fe4A113相和Cr2A113相組成的兩相層，兩相層交界處有A15.50Crl.95Fe2.55相析出。

（2）試驗樣品的界面金屬間化合物Fe2A15相的生長由界面兩側元素的體擴散機制控制，其厚度隨退火溫度和時間的變化符合拋物線規律。

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