基于稳定固溶体团簇结构模型的Fe基多元合金

【摘要】：Fe基合金是最重要的工程材料,为实现不同使役性能,往往需要在Fe基体中添加各种组元,然而合金化组元添加的种类与最佳含量通常需要经过大量试验探索,新合金的设计与开发历时较长。本工作从稳定固溶体合金的结构出发,采用团簇加连接原子结构模型设计并表征Fe基多元合金,一方面证实了该理论模型的有效性,另一方面获得了一批新合金,具有重要的理论价值和工程意义。 该结构模型源自多元非晶和准晶的成分分析,它将结构分为团簇部分和连接原子部分,团簇为基体结构中的第一近邻配位多面体,其形成源于溶质与溶剂组元间的强交互作用,合金成分因此可以表达为团簇式形式：[团簇](连接原子)x,x表示连接原子相对于一个团簇的数目。本工作选取了两类合金体系开展研究,一是具有面心立方结构(FCC)的奥氏体合金,二是具有体心立方结构(BCC)的铁素体合金,具体合金体系分别为Fe-Ni-Cu和Fe-Cr-Mo.Al-Cu,对此进行了组织结构及性能表征,并建立了合金成分、微观组织与合金性能之间的联系。 Fe-Ni因瓦合金是电子工业应用广泛的封接合金,采用Cu合金化可以提高其耐腐蚀性能,但过多Cu的添加会导致第二相析出,从而造成合金的耐腐蚀性能下降。为确定Fe-Ni合金中Cu的最佳含量,采用团簇加连接原子结构模型对Fe-Ni-Cu因瓦合金成分进行了理论探讨及实验研究。商业Fe-Ni因瓦合金如4j42和4j46等中Cu含量都低于4mass％,在高Cl-环境中耐腐蚀性能较差。Fe-Ni-Cu奥氏体区在20-700℃之间Cu含量为2.5-3.5at.%。根据元素间混合焓(△HFe-Ni=-2kJ/mol,△H Ni-Cu=4kJ/mol,△HCu-Fe=13kJ/mol)和稳定固溶体结构模型,提出了Fe-Ni-Cu三元稳定固溶体合金双团簇模型[CuNi12][NiFe12]m(团簇均以原子个数表达,全文同),该模型假设在合金中可以有Fe-Ni. Ni-Cu近邻,但Fe-Cu必须分开,难溶元素Cu是以团簇CuNi12形式溶于Fe的合金基体之中。试验结果表明由团簇设计的合金具有单相FCC结构,在3.5wt.％NaCl溶液中的耐腐蚀性能高于商业Fe-Ni因瓦合金,且与成分接近的因瓦合金具有相当的膨胀性能。 铁素体不锈钢是应用广泛的耐腐蚀材料,一般需要添加Cr、Mo等元素,但是Mo含量过高引起成本增加,而Al和Cu虽然是高耐蚀性元素,其含量高则容易引发第二相析出。为确定Fe基合金中Cr、Mo、Al、Cu的含量,采用团簇加连接原子结构模型对其Cr、Mo、Al、Cu的添加含量进行了理论探讨及实验研究。首先考察了Fe-Al-Cu三元体系,确定稳定铁素体固溶体的结构模型,在20-600℃相图中,铁素体区边界为Al/Cu=8(at.比例)恒定区,根据元素间混合焓(△HFe-Al=-1kJ/mol,△HAl-Cu=-1kJ/mol,△HCu-Fe=13kJ/mol),基于稳定固溶体合金思想,提出了Fe/Al-Cu三元稳定铁素体固溶体合金的团簇模型[CuAl]Fex。进而,考虑Cr.Mo以近似元素替代部分Fe来实现五元合金,Cr含量符合Tammann n/8规则,而元素Mo位于CuAlg团簇的外围,构成Cu的次近邻和Al的第一近邻,即在BCC结构中构建了一个Cu-Al8-Mo6团簇,由此建立了Fe-Cr-Mo-Al-Cu五元铁素体不锈钢的稳定固溶体合金团簇模型,为[(CuAl8)Mo6](Fe,Cr)x实验结果表明由该团簇成分式设计的合金具有单相BCC结构；一系列性能测试表明由团簇模型设计获得的Cr24Mo7A13Cu合金(在表述合金成分时一般采用mass%,全文同)和Cr27Mo6A13Cu合金在高Cl-环境、高氧化环境中具有良好的耐腐蚀性能,优于常规高Cr、Mo铁素体不锈钢,且在高温1100℃空气环境中抗氧化能力优于Fe-23Cr-5Al合金；其力学性能与铁素体Fe-Cr-Mo不锈钢相当。 在实现上述多元合金化基础上,结合难溶元素的固溶方法,还分析了大量的基础三元合金体系,建立了相应的稳定固溶体合金团簇结构模型,预测了潜在的新型固溶体合金成分。