近净成形制备Fe-Al金属间化合物基叠层复合材料的基础研究

On the basis of biomimetic structures, to realize strengthening and toughness as well as interfacial bonding mechanisms, kinetic of interfacial reaction process and toughening mechanism are the key scientific problems for preparation of laminated metal/intermetallic composites. The project aims at producing near net shape laminated Fe/Fe-Al intermetallic composites with uniform and fine grains structure, meanwhile studying the influence of deformation behavior and the interfacial energy on intermetallic phase growth and grain refinement on the micron scale based upon patent of asynchronous accumulative rolling and alloying heat treatment of multi-layer foils, as well as the research direction of design, formation, evolution and control of interface. Based on simulation and process validation by ABAQUS finite element software in the asynchronous rolling process, the metal flow characteristics of multi-layer Fe/Al foil were understood and the correlative micro mechanism of interface bonding and the cooperative synergy deformation were revealed as well. TEM and EBSD will be used to characterize and study the microstructure evolution during the heat treatment of alloying process of the laminated composites. Combined with synchrotron radiation real-time dynamic observation of Fe/Al interfacial reaction, clarifying the growth mechanism and control criteria of intermetallics. The effect of addition of Si, Cr and other alloy elements on the formation ratio, distribution and phase composition of intermetallics will be explored, establishing the fundamentals of physical metallurgy of toughening effect of metal phase on intermetallics.

金属间化合物基叠层复合材料依据仿生结构实现强韧化，界面结合机理、界面反应过程动力学及材料强韧化机制是该领域的关键科学问题。本项目以近净成形制备具有均匀、微细晶粒组织的Fe-Al金属间化合物基叠层复合材料为目标，以“多层箔材异步叠轧－合金化热处理”专利技术为研究对象，以“界面”的设计、形成、演化、控制为研究主线，从微米级尺度探讨金属变形行为、界面能量条件对金属间化合物相生长和细化晶粒的作用。基于ABAQUS有限元模拟与工艺验证，深刻认识多层Fe/Al箔材异步叠轧过程的金属流动特性，揭示界面结合微观机制及复合板协同变形规律。采用TEM和EBSD等研究复合板合金化热处理过程中的组织结构演变，结合对Fe/Al界面反应的同步辐射实时动态观测，阐明金属间化合物相的生长机制及控制准则。明确添加Si、Cr等合金元素对金属间化合物的生成比例、分布状态及相组成的影响，掌握金属相增韧金属间化合物的物理冶金基础。

金属间化合物基叠层复合材料依据仿生结构实现强韧化，界面结合机理、界面反应过程动力学及材料强韧化机制是该领域的关键科学问题。本项目以近净成形制备具有均匀、微细晶粒组织的Fe-Al金属间化合物基叠层复合材料为目标，以“多层箔材异步叠轧－合金化热处理”专利技术为研究对象，以“界面”的设计、形成、演化、控制为研究主线，从微米级尺度探讨金属变形行为、界面能量条件对金属间化合物相生长和细化晶粒的作用。.通过热模拟研究，确定了Fe/Al叠层复合材料的可加工临界温度、应变速率及可加工安全区域。采用ABAQUS有限元软件模拟了多层Fe/Al箔材叠轧变形过程，掌握了复合板的应力应变分布及变形分配情况，参照有限元模拟结果，结合系统性实验研究，确定了多层金属箔叠轧复合与冷轧变形工艺条件，获得了优化的制备工艺参数，阐明了复合板的轧制协同变形规律，初步揭示了复合板的界面结合微观机制。.重点开展了叠轧复合板的合金化热处理工艺及金属间化合物生长行为研究。发现600℃保温4h后再进行655℃保温2h的固—固、固—半固态两阶段热处理可实现充分的界面分层合金化及材料整体合金化。利用北京同步辐射装置4W1A成像站进行了Fe/Al典型样品界面反应的实时动态观测研究，采用TEM和EBSD等表征了金属间化合物层的精细组织与结构，结合理论分析，明确了合金化热处理过程中加热温度、加热速度、保温时间等对界面扩散反应和Fe-Al金属间化合物生长的影响规律。发现复合板在较低热处理温度下以生成Fe2Al5相为主，轧制织构及元素扩散能力是微叠层复合体系金属间化合物层竞争生长行为及最终相结构的关键影响因素。.以SUS441/Al复合体系为代表，研究了Cr等合金元素种类及含量对各种金属间化合物的生成比例、分布状态及相组成的影响，明确了添加合金元素实现Fe-Al金属间化合物强韧化的机制。