高强韧Fe3Si-Cu复合材料制备、界面结构及韧化机理研究

Fe3Si具有优异的耐腐蚀耐磨损性能，然而脆性特别是"环境脆性"却限制了其广泛应用。与塑性金属相增韧陶瓷或其他金属间化合物不同，Fe3Si和Cu之间能够形成牢固的共格界面，在Fe3Si晶界引入连续的塑性相Cu，改变Fe3Si晶界结构以解决其"环境脆性"，无疑是Fe3Si基金属间化合物增韧的新方法。采用真空电弧熔炼法制备的具有上述结构特征的Fe3Si-Cu复合材料尽管晶粒粗大，其力学性能却显著提高。在改善"环境脆性"同时辅之以晶粒细化，将具有上述结构特征的Fe3Si-Cu复合材料晶粒细化至亚微米/纳米级，Fe3Si晶粒若能通过晶界上连续塑性相Cu发生相对滑移，必能在极大程度上提高Fe3Si-Cu复合材料的塑韧性。基于此，本研究将寻求微/纳米级Fe3Si-Cu块体复合材料的制备方法，考察其微观界面结构与韧化机制。期望通过上述应用基础研究，充实金属间化合物室温增韧的理论与实践，为其应用打下基础。

本项目主要以Fe3Si为对象，研究了塑韧相Cu增韧Fe3Si、Cu包覆碳纤维复合强化Fe3Si-Cu、AISI 304不锈钢表面Fe3Si型IMC渗层等Fe3Si基强韧化复合体系的制备与表征，以期为Fe3Si作为结构材料应用打下基础，并为其他类型IMC增韧提供借鉴；另外通过机械化学反应合成了Fe3Si-Al2O3等多种M3A型IMC-Al2O3纳米晶复合粉体，可用于发展新型高温结构(复合)材料。. 利用高能球磨研究了3Fe/Si的机械合金化(MA)过程，X射线衍射和电子衍射证实MA仅能得到Fe(Si)固溶体。高能球磨3Fe/Si-10 wt% Cu混合粉末使得Cu和Si均固溶于Fe基体中，随后经放电等离子热压烧结可使Cu弥散析出，同时Fe基体与固溶于其中的Si转变为有序的Fe3Si，从而得到Fe3Si-Cu复合材料；另外，Fe(Si)固溶体粉末与Cu粉混合后，利用中频感应热压烧结制备了Fe3Si-5 wt% Cu及Fe3Si-10 wt% Cu，对其组织结构、力学性能和在NaOH溶液中的腐蚀行为进行了研究。. 利用电化学包覆在短Cf表面镀铜，再用包覆Cu的短碳纤维与Fe3Si及Fe3Si-Cu复合粉体进行复合，发现镀铜后可有效抑制碳短纤维与Fe3Si基体之间的界面反应，从而使其在弥散增强Fe3Si和Fe3Si-Cu复合材料体系方面具有巨大潜力。. 在熔盐中通过活性Si离子与AISI 304不锈钢基体元素之间相互扩散，获得富含Cr、Ni元素的Fe3Si型IMC渗层。在循环氧化过程中，Si元素由基体向外进行上坡扩散，与扩散进来的O结合成SiO2，Cr元素通过上坡扩散富集于渗层和氧化膜介面处，最终在氧化膜中形成由SiO2、Cr3O4和Fe2O3组成的复合氧化膜，从而有效提高了不锈钢抗氧化能力。. 通过球磨Fe2O3-Al-Si和Fe3O4-Al-Si两种混合粉末，可以获得纳米Fe3Si-Al2O3复合粉末，通过选择适当的反应体系，利用机械化学法还可制备Fe3Al/α-Al2O3、Ni3Si/α-Al2O3、Ni3Al/α-Al2O3等其他金属间化合物基复合粉体。