FeAlSi多孔材料的近净成形理论及材料性能的研究

Porous FeAl material is a new type of inorganic porous material, which has the advantages of both ceramic and metal materials. But a great deal of heat will be released in the preparation process of FeAl porous material by using elemental powders as raw materials due to the violent reaction of Fe and Al, and thus leading to self-propagating reaction which results in the deformation and difficult pore structure controlling. The self-propagating reaction can be inhibited by long time holding at solid-state in our previous study, but this method is time and energy consuming. This project propose to study the near-net forming by adding Si element powder in porous FeAl material, the self-propagating reaction controlling theory of Fe-Al-Si system, and the application properties of porous FeAlSi materials. The main contents include: mechanisms of Si element in FeAlSi system on Fe, Al elements diffusion path and reaction, thermodynamic conditions of Fe, Al and Si powders reactive synthesis and pore formation, establishing the kinetic equation of phase and pore structure evolution in the reaction process, determination of the kinetics and dynamics conditions for near- net forming, and pore structure characteristics, mechanical property and corrosion resistance of FeAlSi porous materials at room and high temperature. The research results can provide theoretical basis for controlling self-propagating exothermic reaction system, and lay the theoretical foundation for industrial production and application of porous FeAlSi materials.

FeAl多孔材料兼具陶瓷和金属的性能优点，是一种新型无机多孔材料。采用元素粉末制备FeAl多孔材料过程中，因Fe与Al的剧烈放热反应会引发自蔓延，导致材料变形和孔结构控制困难。因此需采用长时间固态保温的办法抑制自蔓延，但该方法耗时耗能。为此本项目提出：采用添加第三组元Si元素的方法实现多孔体的近净成形，并研究Fe-Al-Si体系的自蔓延控制理论及FeAlSi多孔材料的应用性能。主要研究内容包括：Fe-Al-Si体系中Si元素对Fe、Al元素扩散路径和反应的影响机理；Fe、Al、Si元素的反应合成及孔隙形成的热力学条件，建立反应过程中物相及孔结构演变的动力学方程，确定实现材料近净成形的热力学与动力学条件；FeAlSi多孔材料的孔结构特征，室/高温下的力学性能及抗腐蚀性能。研究成果可为剧烈放热反应体系引发的自蔓延提供控制理论依据，并为FeAlSi多孔材料的生产及应用奠定理论基础。

FeAl金属间化合物多孔材料是性能十分优异的高温过滤材料。但采用元素反应合成FeAl过程中，Fe、Al元素间会发生剧烈自蔓延反应，严重破坏材料的形状，导致孔结构不易控制，力学性能受损。本项目通过在Fe-25wt.%Al的基础上添加一定量的合金元素Si，以抑制自蔓延反应的发生，实现FeAlSi多孔材料的近净成形。主要研究了FeAlSi多孔材料的孔结构参数与孔结构性能的控制方法，得出了FeAlSi多孔材料近净成形机理，并同时研究了FeAlSi多孔材料的高温应用性能，包括高温抗氧化、抗硫化行为和抗热震性能。结果表明，添加质量分数为1.6%的Si元素的能够较好的抑制自蔓延反应的发生，避免样品变形与开裂，确保FeAl(Si)金属间化合物多孔材料的近净成形。通过调整Si元素的含量可以控制FeAl(Si)多孔材料的孔结构性能。当Si元素含量从0增加到3wt%，FeAl(Si)多孔材料的孔隙率从41.97%增加到56.1%，平均孔径由15.35μm增加到19.71μm，透气度从260.78m3•h-1•KPa-1•m-2增加到482.47m3•h-1•KPa-1•m-2。并得出FeAl(Si)多孔材料透气度(K)、孔隙度(θ)和平均孔径(d)之间的关系为K=2.343θd2。在600℃循环氧化140h后FeAl(Si)多孔材料的孔结构参数基本保持稳定。FeAl-0Si、FeAl-1.6Si和FeAl-3Si的孔隙率保持率分别为92.14%、93.01%和93.93%；平均孔径的保持率分别为93.55%、94.18%和94.82%；透气度的保持率分别为88.65%、91.03%和91.98%，从而保障FeAl(Si)多孔材料在高温氧化环境中的使用寿命。FeAl(Si)多孔材料具有优异的高温抗硫化性能。经600℃硫化120h后，FeAl(Si)多孔材料的孔结构参数具有优良的稳定性，预氧化的FeAl(Si)试样的孔结构参数保持率远大于FeAl(Si)试样，达到96%以上。FeAl(Si)同时具有优异的抗热震性能。因此，本研究以Fe、Al、Si元素粉末为原料，采用反应烧结法制备了FeAlSi多孔材料，提供了一种完整的FeAlSi多孔材料近净成形制备技术，解决了FeAl多孔材料制备耗能大、耗时长、重复性差等问题。高温应用性能的研究为FeAlSi多孔材料的极端环境下的应用提供了实验依据。