专利名称：铝化铁复合材料及其制造方法
技术领域：
本发明一般来说涉及铝化铁复合材料及其制造方法。
背景技术：
含铝的铁基合金可具有有序的和无序的体心结晶组织。比如含有金属间合金成份的铝化铁合金含有各种原子比的铁和铝，如Fe3Al、FeAl、FeAl2、FeAl3及Fe2Al5。具有体心立方有序结晶组织的Fe3Al金属间铝化铁被公开于美国专利US5，320，802；5，158，744，5，024，109及4，961，903中。这类有序的结晶组织通常含25-40at％的Al及合金化添加剂，如Zr、B、Mo、C、Cr、V、Nb、Si和Y。
具有无序的体心结晶组织的铝化铁合金被公开于美国专利US5，238，645中，其中，该合金含(％重量)8-9．5的Al、≤7的Cr、≤4的Mo、≤0．05的C、≤0．5的Zr和≤0．1的Y，而更好地是含4．5-5．5的Cr、1．8-2．2的Mo、0．02-0．032的C和0．25的Zr。除去3种分别含8．46、12．04和15．90％(重量)Al的二元合金外，公开于US5，238，645中的特定的合金组成均含最少为5％(重量)的Cr。此外，US5，238，645还提到，这些合金元素提高了强度、室温延展性、高温抗氧化性、耐水腐蚀的能力及抗点状腐蚀的能力。US5，238，645未涉及电阻加热器元件，也未提到诸如抗热疲劳能力、电阻率或抗高温下垂能力之类的性能。
被共同拥有的US5，595，706和5，620，651公开了一种可用于电阻加热元件的含铝的铁基合金。加热元件构形的例子可见于被共同拥有的US5，530，225和5，591，368。电阻加热元件的其它例子可见于被共同拥有的US5，060，671；5，093，894，5，146，934，5，188，130；5，224，498；5，249，586；5，322，075；5，369，723；及5，498，855。
J．R．Knibloe等人于1990年发表在＂Advances in PowderMetallargy(粉末冶金进展)＂，vol．2中的，题为＂Microstructure AndMechanical Propeties of P／M Fe3Al Alloys(粉末冶金Fe3Al合金的显微组织和机械性能)＂(PP．219-231)的文章公开了一种用惰性气体雾化器制备含2-5％的Cr的Fe3Al的粉末冶金方法。这份公开文献解释道Fe3Al合金在低温时具有DO3组织，而在高于约550℃时则转变为B2组织。为制造板材，将粉末封装在软钢罐中，经抽气，再于1000℃时被热挤压至9∶1的面积压缩比。从钢罐中取出之后，将该合金挤压件于1000℃热锻至0．340英寸的厚度，于800℃轧至约0．10英寸厚，于650℃终轧至0．030英寸厚。按照此公开文献，该雾化的粉末一般为球形，从而产生致密的挤压件，而且通过使B2组织的量变为最大，达到了接近20％的室温延展性。
V．K．Sikka于1991发表于Mat．Res．Soc．Symp．Proc．，Vol．213中的题为＂Powder Processing of Fe3Al-Based Iron Aluminide Alloys(Fe3Al铝化铁的粉末加工工艺)＂(PP．901-906)的文章中公开了一种将含2-5％的Cr的Fe3Al基的铝化铁制成的粉末制造成板的方法。该公开文献陈述道用氮气喷雾法和氩气喷雾法制备这类粉末。这种氮气喷雾而成的粉末含很少量的氧(130ppm)和氮(30ppm)。为制造板，将此粉末封装在软钢罐中，再于1000℃热挤压至9∶1的面积压缩比。经热挤压的该氮喷雾而制成的粉末的晶粒尺寸为30μm。去除钢罐，再将此棒于1000℃锻造至50％的压缩比，于850℃轧制至50％的压缩比，于650℃终轧至50％的压缩比成为0．76mm的板。
载于1990 Powder Metallurgy Conference Exhibition inPittsburgh(匹兹堡粉末冶金会议展)，PA的V．K．Sikka等人的题为＂Powder Production，Processing，and Properties of Fe3Al(Fe3Al的粉末生产、加工和性质)＂(PP．1-11)论文公开了一种制备Fe3Al粉末的工艺，该工艺通过在保护气氛下熔化金属组份，使该金属经过计量喷嘴，再用氮雾化气体冲击该熔体流以使之粉碎来制造该粉末。该粉末具有低的氧含量(130ppm)和氮含量(30ppm)，而且是球形的。通过将此粉末填入76mm的软钢罐，抽取罐中的气体，在1000℃时加热1个半小时，用25mm的模具，9∶1的压缩比挤压此罐来生产挤压棒。该挤压棒的晶粒尺寸为20μm。通过去除此罐，于1000℃锻至50％的压缩比，于850℃轧到50％的压缩比，再于650℃终轧至50％的压缩比而制成厚0．76mm的板。
在US．4，391，634和5，032，190中公开了氧化物弥散强化的铁基合金粉末。US．4，391，634公开了含10-40％的Cr、1-10％的Al及≤10％的氧化物弥散体的无Ti合金。US．5，032，190公开了用含75％的Fe、20％的Cr、4．5％的Al、0．5％的Ti及0．5％的Y2O3的合金MA956形成板的方法。
LeFort等人的载于1991年6月17-20在日本的仙台举行的＂Proceedings of International Symposium on Intemetallic Compounds-Structures and Mechanical Properties＂(JIMIS-6)上提出的题为＂Mechanical Behavior of FeAl40Intermetallic Alloys(FeAl40金属间合金的力学行为)＂(PP．597-583)的文章公开了添加了硼、锆、铬、铈的FeAl合金(25％(重量)的Al)的各种性能。该合金是通过真空铸造及于1100℃时的挤压制成的或于1000℃-1100℃的压制而制成的。该文解释了FeAl化合物在氧化和硫化条件下的优越的抗御能力归因于高的Al含量和B2有序结构的稳定性。
D．Poccil等人在于1994年2月27日-3月3日于California的SanFrancisco举行的，关于＂Processing，Properties and Application ofIron Aluminide＂的Minerals，Metals and Materials Society Conference(1994 TMS Conference)上提出的题为＂Production and Properties of CSMFeAl Intermetallic Alloys(CSMFeAl金属间合金的生产和性质)＂(PP19-30)的文章公开了用不同的技术，如铸造和挤压、粉末的气雾化和挤压，及粉末的机械合金化及挤压处理的金属间化合物的不同性能，并且机械合金化已被用于增强含细小氧化物分散体的材料。此文陈述道制备具有B2有序结晶组织的，Al含量为23-25％(重量)(约40at％)含合金添加剂Zr、Cr、Ce、C、B和Y2O3的FeAl合金。该文章还谈到该材料是高温腐蚀性环境中的构件材料的候选物，并将会在热机、喷气发动机的压缩机级，煤气化设备及石油化学工业中找到用途。
J．H．Schneibel在1994 TMS Conference提出的题为＂SelectedProperties of Iron Aluminides(铝化铁的性能)＂(P329-341)的文章公开了铝化铁的性能。该文报导了一些性能诸如各种FeAl复合材料的熔化温度、电阻率、导热系数、热膨胀系数和机械性能。
J．Baker在1994 TMS Conference提出的题为＂Flow and Fracture ofFeAl(FeAl的流变与断裂)＂的文章(PP．101-115)公开了B2化合物FeAl的流变和断裂的综述。此文谈到，现有的热处理强烈地影响FeAl的机械性能，而高温退火后的较高的冷却速度产生了较高的室温屈服强度和硬度，但因有过多的空位使延展性下降。至于这类空位，此文提出，溶质原子的存在趋于缓解残留空位的作用，而长时间的退火可用于消除过多的空位。
D．J．Alexander在1994 TMS Conference提出的题为＂ImpactBehavior of FeAl Alloy FA-350(FeAl合金FA-350的冲击行为)＂(PP．193-202)的文章公开了铝化铁FA-350合金的冲击和拉伸性能。FA-350合金含(at％)35．8％的Al，0．2％的Mo，0．05％的Zr及0．13％的C。
C．H．Kong在1994 TMS Conference提出的题为＂The Effect of TernaryAdditions on the Vacancy Hardening and Defect Structure of FeAl(三元添加对FeAl的空位硬化和缺陷结构的影响)＂(PP．231-239)的文章公开了三元合金添加剂对FeAl合金的影响。此文谈到，B2结构的FeAl化合物显示出低的室温延展性及不可接受地低的，500℃以上的高温强度。此文还谈到，室温脆性是因进行了高温热处理，保留了高密度的空位而引起的。此文讨论了各种三元合金添加剂，如Cu、Ni、Co、Mn、Cr、V和Ti以及高温退火和后续的消除空位的低温热处理的作用。
本发明简述本发明提供一种铝化铁复合材料，它含有铝化铁、一种氧化物填充物及一种改善氧化物填充物与铝化铁之间的冶金结合的添加剂。该氧化物填充物可包括氧化铝、氧化锆、氧化钇、稀土氧化物和／或氧化铍。该添加剂可包括难熔的碳化物，如TiC、HfC和／或ZrC。氧化物添加剂的优选的比例为1-3。该复合材料可用于各种器具，如工具的刀片，结构件或诸如加热器之类装置中的电阻加热元件。根据一较佳实施方案，该复合材料包括液相烧结的复合材料。
该铝化铁最好包括铁和铝的二元合金或一种合金。比如，该铝化铁合金可包括(重量％)14-32％的Al、≤2．0％的Ti、≤2．0％的Si、≤30％的Ni、≤0．5％的Y、≤15％的Nb、≤1％的Ta、≤3％的W、≤10％的Cr、≤2．0％的Mo、≤1％的Zr、≤1％的C和≤0．1％的B。氧化物填充剂最好包括可按任何需要量如≤40％，存在的氧化铝。该添加剂最好包括≤40％的TiC。
根据本发明的各种较佳的目标，该复合材料可以无Cr、无Mn、无Si和／或无Ni。该复合材料可包括非氧化物的填充剂陶瓷颗粒如SiC、Si3N4、AlN等。较佳的铝化铁合金含20．0-31．0％的Al、0．05-0．15％的Zr、≤3％的W、≤0．1的B及0．01-0．2％的C；14．0-20．0％的Al、0．3-1．5％的Mo、0．05-1．0％的Zr、≤3％的W、≤0．2％的C、≤0．1％的B及≤2．0％的Ti；及20．0-31．0％的Al、0．3-0．5％的Mo、0．05-0．3％的Zr、≤0．2％的C、≤2％的W、≤0．1％的B及≤0．5％的Y。
该电阻加热元件可用于各种产品，如加热器、烘烤器、点火器、加热元件等，其中该复合材料的室温电阻率为80-400μΩ·cm，更好的是90-200μΩ·cm。该复合材料在电压最多为10伏，通过该合金的电流最高为6安培时，该复合材料在1秒以内最好加热到900℃。当在空气中加热到1000℃保温3小时时，该复合材料较好是呈现出小于4％的增重，更好是小于2％的增重。当以0．5-5秒的时间，从室温脉冲加热到1000℃时，该复合材料较好的抗热疲劳能力超过10000周而不断裂。
谈到机械性能，该复合材料的室温抗弯强度，在液相烧结状况下为至少300MPa，而在热锻状态下为至少1000MPa。
本发明还提供一种制造铝化铁复合材料的粉末冶金方法，该方法包括形成铝化铁粉、氧化物粉和促进该氧化物粉与铝化铁的粘合的添加剂的混合物；将该粉末混合物成形为坯体，然后烧结此坯体。根据该方法的各种目标，可通过热压或冷压成形此坯体，而烧结可包括固相的、局部液相或液相烧结。比如，所述的成形可通过将粉末放在金属罐中，密封其中有粉末的金属罐，再热压或热挤压此金属罐。可供选择的是，可通过将铝化铁基体的液相渗入大量氧化物颗粒中制成此坯体。为了使该烧结体致密和／或成形，可将此烧结体热锻或经受其它的加工步骤，如冷加工、挤压、轧制等。若需要，可在烧结和／或烧结后的退火之前冷压此粉末混合物。
图1展示了本发明的FeAl／Al2O3复合材料的X射线衍射图；图2展示了本发明的FeAl／ZrO2复合材料的X射线衍射图；图3展示了本发明的FeAl／ZrO2复合材料的扫描电镜图象；图4展示了在FeAl／Al2O3复合材料液相烧结过程中的FeAl的热析，该复合材料不含本发明的TiC添加剂；图5展示了TiC对提高铝化铁对Al2O3的液相渗透作用的影响；图6展示了本发明的FeAl／TiC／Al2O3复合材料的抛光截面的扫描电镜图象。
图7展示了本发明的Fe-15TiC-15Al2O3(体积％)的热锻试样，其中该试样的内部是坚实的，而一些边缘裂纹明显地围绕着该试样的外部；图8是本发明的FeAl-16．5TiC-16．5Al2O3(体积％)的液相烧结复合材料的光学显微镜照片；图9是本发明的FeAl-15TiC-15Al2O3(体积％)的热锻复合材料的光学显微镜照片；图10是本发明的FeAl-15TiC-15Al2O3(体积％)的复合材料弯曲应力试验过程中应力和产生的十字头位移的关系曲线图；图11是本发明的FeAl-15TiC-15Al2O3(体积％)复合材料的断裂韧性试验中负载和产生的十字头位移的关系曲线图。
较佳实施方案的详述本发明的目的是铝化铁复合材料，它含有铝化铁，一种氧化物填充物及改进该氧化物填充物与铝化铁间的冶金结合的添加剂。根据本发明的一个目标，本发明的铝化铁可含4-32％(重量)的铁(标称的)、而该氧化物填充物可包括一或多种氧化物，如氧化铝、氧化锆、氧化钇、稀土氧化物和／或氧化铍。添加剂最好包括至少一种难熔的碳化物、难熔的氮化物或难熔的硼化物，如TiC、HfC、ZrC、TiN、HfN、ZrN、TiB2、HfB2和／或ZrB2。
用于构成该铝化铁的合金组份的浓度在本文中用标称的重量百分比表达。但，在该铝化铁中，铝的标称重量基本上相当于铝的实际重量的至少约97％。比如，在一较佳的成份中，标称18．46％(重量)实际上可提供18．27％(重量)的铝，它大致是标称浓度的99％。
该铝化铁可用一或几种选定的合金元素进行处理或合金化，此类元素是为提高性能，如强度、室温延展性、抗氧化物、抗水腐蚀性、抗点蚀能力、抗热疲劳性、电阻率、抗高温垂弛或蠕变性及抗增重性而选择的。该铝化铁复合材料可用于各种装置的加热元件，比如在共同拥有的美国专利US5，530，225或5，591，368中陈述装置中的加热元件。但，该复合材料可用于其它的目的，如用于热喷涂应用领域，其中该复合材料可用作具有抗氧化和抗腐蚀性能的涂料。该复合材料还可被用作抗氧化和抗腐蚀的电极，炉子构件、化学反应器、抗硫化材料、化学工业中的耐蚀材料、输送煤浆或煤焦油的管道、催化转化器的基材、汽车发动机的废气管、多孔过滤器等。
根据本发明的一个目标，在该复合材料被用于电吸烟制品中的加热元件的情况下，可按公式R=ρ(L／W×T)改变该复合材料的几何形状以使加热器的电阻得以优化，式中R=加热器的电阻、P=加热器材料的电阻率、L=加热器长度、W=加热器宽度而T=加热器厚度。可通过调节该铝化铁的合金成份和／或该复合材料中的填充物的用量和／或类型来改变加热器材料的电阻率。该复合材料可任选地包含如陶瓷颗粒之类的填充物，以提高抗蠕变能力和／或导热性。该复合材料还可掺有电绝缘材料的颗粒，以使该复合材料在高温时具有抗蠕变的能力，及提高该复合材料的导热性和／或降低其热膨胀系数。可将这种电绝缘／导电的颗粒／纤维加入在Fe、Al或铝化铁的粉末混合物中，或通过在制造该复合材料时发生放热反应的单质粉末的合成反应来形成这类颗粒／纤维。
可用多种方法制造该复合材料。比如，可用预合金化的粉末或通过使合金组份机械合金化来制造该复合材料的铝化铁。可用常规的粉末冶金技术，如封装和挤压、注浆法、离心浇注、热压和热等静压压制加工该机械合金化的粉末。另一种技术是采用纯的Fe、Al单质粉末及任选的合金元素的粉，然后使这些组份机械合金化。除上述之外，可将上述的电绝缘和／或导电颗粒掺在该粉末混合物中，以设计该复合材料的力学性能及抗高温蠕性能。
最好用粉末冶金技术制造该复合材料。比如，可用含有不同粒度的粉末的混合物生产该复合材料，但优选的粉末混合物的粒度小于-100目。根据本发明的一个方面，可用气体雾化法生产铝化铁粉末，在此情况下，粉末具有球状的形态。根据本发明的另一方面，可用水雾化法生产铝化铁粉末，在此情况下，粉末的形状不规则。用水雾化法生产的铝化铁粉末可包含包覆该粉末颗粒的铝的氧化物覆层，这种铝的氧化物在将该粉末热机械加工成板，棒等形状时会破裂，然后掺合到该复合材料中。这种氧化铝的颗粒对于提高该铝化铁合金的电阻率是有效的，同时该氧化铝对于提高强度和抗蠕变性能也是有效的，但使该合金的延展性下降。
当将钼作为该铝化铁的一个合金组份使用时，它以大于偶存杂质的量至最多约5．0％的量的有效范围加入，而该有效量足以促进该铝化铁的固溶强化及提高该合金暴露于高温下时的抗蠕变的能力。钼含量的范围为0．25-4．25％，而在一较佳实施方案中，此范围为约0．3-0．5％。加钼大于约2．0％，则有损于室温延展性，这是因为钼以这种含量存在时引起了程度相当大的固溶强化。
可以以对于提高该铝化铁合金的蠕变强度有效的量加钛，它最高以3％的量存在。当含钛时，它的含量范围最好≤2．0％。
当在该铝化铁合金中采用碳和碳化物形成元素时，碳以范围为大于偶存杂质的量，而最高大约0．75％的量存在，而碳化物形成元素则以范围为大于杂质的量至最多为约1．0％或更多的有效量存在。碳含量最好是约0．03％-约0．3％。碳和碳化物形成元素的有效量都足以共同形成足够的碳化物，从而控制该铝化铁合金暴露于高温中时，其内的晶粒的生长。这类碳化物还会在该铝化铁合金中产生某种程度的沉淀强化。该铝化铁合金中的碳及碳化物形成元素的含量要使得加入的碳与碳化物形成元素之比为化学计算或接近化学计算的该比例，从而基本上不使过量的碳残留在最终合金中。
为提高抗高温氧化的性能，可在该铝化铁合金中加锆。若存有碳，在该铝化铁合金中的过量的碳化物形成元素，如锆是有益的，它在空气中的热作业周期中，有助于产生抗剥落的氧化物。锆比Hf更为有效，因为Zr形成的氧化物发纹垂直于铝化铁合金的暴露表面，它固定住表面氧化物而Hf则形成平行于该表面的氧化物发纹。
碳化物形成元素包括，如W、Ti、Zr、Nb、Ta和Hf及它们的组合。碳化物形成元素的含量最好足以与该铝化铁合金中存有的碳形成碳化物。当W、Nb、Ta、Ti、Zr和Hf作为形成碳化物的元素使用时，其含量最多各为3％(重量)。
除上述合金元素外，在该铝化铁复合材料中采用有效量的稀土元素，如约0．05-0．25％的Ce或Y是有益的，因为这些元素提高该合金的抗氧化的性能。
氧化物填充物可具颗粒，如粉末、纤维等形态。比如，该复合材料可含最多40％(重量)的诸如Y2O3、Al2O3、稀土氧化物、氧化铍及其组合之类的氧化物颗粒。这些氧化物颗粒可加到Fe、Al及其它合金元素的熔体或粉末混合物中。可供选择的是，该氧化物可在现场通过使含铝铁基合金水雾化形成该氧化物，借此在铝-铁粉末上产生氧化铝或氧化钇的覆层。在加工此粉末时，该氧化物破裂，并作为发纹存在于最终产物中。在该铝化铁合金中掺有此种氧化物对于提高该合金的电阻率是有效的。比如，在该合金中加约0．5-0．6％(重量)的氧，电阻率可从约100μΩ·cm升至约160μΩ·cm。
用于提高铝化铁与氧化物填充物间的结合的添加剂可包括能改进该铝化铁的润温，即，降低表面张力和／或接触角的任何的元素或化合物。比如，该添加剂可包括在熔融的铝化铁中稳定的碳化物。优选的添加剂是难熔的碳化物，如TiC、HfC和／或ZrC。在其中的铝化铁部分或完全熔化的液相烧结过程中，该难熔的碳化物保持为固态，从而促使氧化物填充物与熔融的铝化铁基体间的结合。
为提高该铝化铁合金的导热性和／或电阻率，可将导电的和／或电绝缘的金属化合物的颗粒加在该合金中。这类金属化合物包括选自元素周期表中的IVb、Vb和Vlb族元素的氧化物、氮化物、硅化物、硼化物和碳化物。所述碳化物可包括Zr、Ta、Ti、Si、B等的碳化物，硼化物可包括Zr、Ta、Ti、Mo等的硼化物，硅化物可包括Mg、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、Mo、Ta、W等和硅化物，氮化物可包括Al、Si、Ti、Zr等的氮化物，而氧化物可包括Y、Al、Si、Ti、Zr等的氧化物。
可加入该铝化铁合金中的附加元素包括Si、Ni和B。比如，最多为2．0％的少量的Si可提高该合金的低温和高温强度，但加0．25％以上的硅，则使该合金的室温和高温延展性受到不利的影响。加最多为30％(重量)的Ni，可因第二相强化而提高该铝化铁合金的强度，但Ni增大了该合金的成本，而且会降低室温和高温延展性，从而导致特别在高温下难以加工。少量的B可改善该合金的延展性，而且B可与Ti和／或Zr联合使用，从而产生细化晶粒的Ti和／或Zr的硼化物析出物。
现在参照以下的实施例说明本发明，这些实施例提供了如何制造低成本的FeAl-基的复合材料的示例性的细节。
可用多种技术(这包括常规的铸造和粉末冶金工艺)制备用绝缘的氧化物填充物增强FeAl基的复合材料。但，因氧化物是耐氧化的，而且其导电性差，所以当它们存在于铝化铁复合材料中时可用以提高该复合材料的电阻率，在电阻加热器的应用领域中，这是个优点。在以下的实施例中，用粉末冶金法制造铝化铁-氧化物复合材料。
在以下的实施例中，用Al2O3和／或ZrO2作为氧化物颗粒制备铝化铁复合材料。特别是ZrO2，它呈现了高的热膨胀系数，因此与铝化铁基体间的热失配很小。该复合材料用热压以及如液相烧结之类的低成本方法制造。
为制备FeAl／氧化物复合材料，要讨论以下三个问题(a)氧化物和铝化铁基体间的热力学相容性，(b)氧化物颗粒被液态铝化铁湿润的程度，(c)通过向该铝化铁中加合金添加剂使该湿润行为的改善所达到的程度。已发现的是，Al2O3与FeAl在热动力学上是相容的，而ZrO2则不是。此外，虽然液态的铝化铁不能足够地湿润Al2O3，但往FeAl／Al2O3粉末混合物中加TiC则改善湿润和可加工性。对FeAl-15％(体积)TiC-15％(体积)Al2O3复合材料进行热锻将室温抗弯强度提高了三倍以上。比如，用热锻的复合材料，室温抗弯强度可达到1000MPa以上。机械性能方面的这种改进可归因于该复合材料中的残留孔隙减少了。此外通过添加促进氧化物填充物湿润性的添加剂(如TiC)可使液相烧结行为大为改进。
用通过使Fe-40at％Al、Al2O3或Y2O2-稳定化的ZrO2粉末混合，再于1450℃或1500℃在真空中使它们液相烧结而制得的FeAl／Al2O3和FeAl／ZrO2试样作实验。在以下的讨论中，″FeAl″指代Fe-40at％Al。通过X-射线衍射数据测定FeAl／Al2O3复合材料包含α-Al2O3和FeAl，而FeAl／ZrO2复合材料包含立方的稳定化的ZrO2及FeAl。但，还发现有大量的α-氧化铝，这表明有下列类型的置换反应存在，其中Fe6Al6Zr是一种三元的金属间相。与上述反应相一致的是，扫描电镜(SEM)中的电子色散谱(EPS)确定了存在有FeAl、FeAlZr金属间化合物和Al2O3。
检测一种含10％的Al2O3和10％的ZrO2的FeAl／ZrO2热压试样，以测定抗弯强度。光学显微镜观察该试样表明，在该材料中发生了反应，而从该材料上研磨下来的弯曲试棒的碎裂的边缘表明该材料本质上是脆的。该弯曲试棒在脆性方式下折断，表明该铝化铁已经反应而形成较脆的相。此材料呈现了215±29MPa的室温抗弯强度。由于此测试表明了，ZrO2在与FeAl接触时不是热力学稳定的。
在下列的实验中，将经预合金化的铝化铁粉与氧化物粉混合。再将此粉末混合物倒入盖有氧化铝盖的氧化铝坩埚中。在大多数情况下，此坩埚的内径和内部高度分别为38mm和8mm。虽然该粉状混合物在烧结前未经冷压，但可预料的是，烧结前的冷压将明显改善加工性能。通常将装了料的坩埚抽气过夜直至表明真空度已超过10-5乇。接着将此试样于2小时的期间升温至1450℃或1500℃，再于此温度下保温0．2-0．3小时，接着进行炉冷。在1450℃或1500℃时，铝化铁熔化并发生了液相烧结。也曾试图在氧化物粉末中渗入液态的铝化铁合金。在多种情况下，将单质态的Ti或C加至此二元铝化铁中，以增强湿润。当用TiC粉末取代了该氧化物的一部分时，得到了最佳的试样。该实施例中所用的金属合金及氧化物粉末列于表1中。表2列出了得自各试样的数据。表1和2将用于探讨所进行的各种加工实验。
图1和2展示了试样A003(FeAl／Al2O3)和A004(FeAl／ZrO2)的粉末X-射线衍射图。与热力学稳定性相一致的是，FeAl／Al2O3复合材料的衍射图表明绝大部分是α-Al2O3和FeAl。于21°和30°处的2个小峰未能鉴别。FeAl／ZrO2复合材料的衍射图表明有立方的稳定化的ZrO2和FeAl。但，有大量α-氧化铝存在的证据，这表明有如下类型的置换反应其中Fe6Al6Zr是三元的金属间相。图3使X-射线的结果被具体地体现出来，其中的扫描电镜(SEM)中的电子色散谱(EDS)证明了FeAl、FeAlZr金属间相及Al2O3的存在。很明显，ZrO2在与液态FeAl接触时是热力学不稳定的。这种情况一旦出现，就中断用ZrO2进行处理。
在含碳化物和硼化物的铝化铁复合材料中，液体铝化铁产生的湿润是如此之有效，以致用这些陶瓷材料制成的多孔的预成形坯很易被渗入。对这种渗透氧化物的方法的实用性进行了研究(试样A005、A006、A011、A012)。将铝化铁粉放在Al2O3或ZrO2床上，再于真空中加热至1450℃，以使铝化铁熔化。如从关于氧化物被液态金属湿润的文献所预料的那样，未发生渗入。对此可能采取的解决措施可能是加活性的元素，如Ti。但，将Ti加于铝化铁粉(A005、A006)中时，也未发生渗入。预期添加TiC颗粒将在FeAl／TiC／Al2O3混合物的液相烧结过程中改善渗入行为。
用粒度小于38μm的氧化铝粉A002进行实验。含氧化铝的铁的铝化物的烧结通常形成多孔的试样及大量的渗出的FeAl，由于它缺乏湿润性，所以它被排出。这在图4中被说明。当所述体积份额的量级为30重量份时(试样A020及A041)时，该试样非常易碎。当该含量被降到20重量数量级的数值(A014)时，该试样趋于变强。铝化铁粉末A040给出了明显很差的结果(试样A004)，这是因为该粉末的粒度较大，它比其它试样(A032)所用的＜45μm的粉末大。较大的粒度使烧结性变差。加Ti或C(A007、A016、A018)未引起值得注意的改进。这些结果与参入实验相一致。但，如下文所示，加TiC惊人地改进了加工性能。
用TiC部分替代Al2O3大大地改进了加工性能。在试样A021、A022和A023中，TiC／Al2O3之比有系统的提高。一旦TiC含量被提高到足够高的水平时(≥18％(重量))，该试样显得致密，而没有现出或仅有少量的表面裂纹。图5展示了经过成功地处理过的含TiC和Al2O3的试样。此试样上出现的斑点是流出的铝化铁。但，当与图4相对照时，湿润惊人地改善了。FeAl／TiC／Al2O3试样的显微组织被示于图6中。虽然只有某些孔隙，但很多Al2O3颗粒，如图6中心处的颗粒则完全被FeAl包围。
令人惊异的是，加Ti对加工性能不利(A025、A026、A027)。但少量的C(0．3％(重量)，试样A028和A030)无损于加工性能。因此，优化地加C具有改善加工性能的潜在能力。
总而言之，已发现Al2O3是铝化铁金属陶瓷中的适宜的增强剂。另一方面，ZrO2不宜与液态的FeAl接触，它形成脆性的Fe-Al-Zr金属间相。可预料的是，Al2O3为液态铝化铁润湿的能力很差。令人惊讶的是，无论往该铝化铁中加Ti或加C都未改善Al2O3的湿润。但，以TiC颗粒的形式联合地加Ti和C高度地改善了可湿润性，从而导致极致密的试样。
对本发明的工艺可作各种变更和改进。比如，可将对粉末混合物的冷压用于降低最终产品的孔隙度。通过进行定量的密度和孔隙度测量，可达到优化，从而确定合金添加剂，如，碳的浓度。此外，期望加Nb对铝化铁对Al2O3湿润和结合具有有益的影响。不使用预合金化的FeAl粉末，还可使用单质Fe和Al粉末。实际上，单质Fe和Al间的放热反应可能是有益的。还有，单质态的粉末比预合金化的FeAl粉末(通过使热空位固结住，它强烈变硬)软，因而将导致较高的生坯密度。高的生密度将导致较高的最终密度，因此提高了强度和抗氧化性。
表1该研究中所用的原料
表2处理实验记录
从上述实验结果可以确定，FeAl没有足够好地湿润Al2O3，从而不能通过液相烧结制造FeAl／Al2O3复合材料。为改进烧结行为，用TiC粉末替代一些Al2O3粉末。比如，试样A009用Fe-40at％Al的粉末(-325目或＜45μm)、TiC粉末(2．5-4μm)和Al2O3粉末(≤38μm)制备，该试样具有FeAl-16．5vol％TiC-16．5vol％Al2O3的标称成份。试样A009及其它试样的成份及制备方法列于表3中。用于试样A009中的同尺寸的粉末也用于A046。试样A062C用尺寸如下的粉末制成1-5μmFe、10μmAl、2．5-4μmTiC及≤38μmAl2O3。按如下方式进行液相烧结试样A009，真空中，0．3小时；试样A046，真空中，0．2小时；试样A047，真空中，0．2小时；试样A050，真空中，0．2小时；试样A062C，真空中，0．2小时。表3。
表4。
通过冷压，接着于1500℃在真空中烧结12分钟制成了标称成分为FeAl-16．5vol％TiC-16．5vol％Al2O3的试样。用预合金化的FeAl(试样A046)或单质态的Fe和Al粉(试样A047)取得了类似的结果。但用单质态的粉末制成的复合材料的孔隙度略低。在试样A050中，由于期望Nb将与Al2O3结合得很好，并提高断裂韧性，所以将单质Nb加在该复合材料中。
在该实验中发现，即使往该复合材料原料中加了TiC，在液相烧结过程中也未生产出完全致密的材料。因此，利用二次处理来消除这些孔洞。通过使60克的Fe、Al、TiC和Al2O3混合，再于Al2O3坩埚中烧结此混合物以产生FeAl-15TiC-15Al2O3(vol％)复合材料来制得试样A062C。烧结后的柱体在1000℃从20mm高度热锻至约8mm。图7展示了该经热锻的试样，其中在试样周围可见边缘裂纹，而其内部是坚实的。
图8是用预合金化的Fe40Al粉末制成的试样A046的光学显微镜照片。亮的TiC颗粒、暗的Al2O3颗粒及围绕着灰色铝化铁基体的黑色孔洞清晰可见。用单质态的Fe和Al粉，而不用预合金化的FeAl进行加工取得了类似的结果，但孔隙度已被降低。图9展示热锻试样(A062C)的显微组织，其中没有孔隙。
通过抛光横截面约为3×4mm的样品制成用于室温弯折试验的试样。以20mm的跨距、10μm／秒的十字头速度进行该弯折试验。用线性弹性方程式σf=1．5L·P／(wt2)计算弯曲应力σf，其中L是跨距，P是折断时的负荷，w是试样宽度，t是试样厚度。
经液相烧结的FeAl-16．5TiC-16．5Al2O3(vol％)的强度超过300Mpa(试样A046E-1)。断裂不是突然发生的，而是以裂纹的扩展受到控制的方式逐步发生的。逐渐断裂的原因被认为在于材料的孔隙度，它不使弹性能得以充分积累，从而导致突然断裂。Nb合金化的材料A050以逐渐的方式出现断裂，并具有很低的187Mpa的强度，这可能是因较高的孔隙度所致。虽然Nb可能加强了Al2O3／FeAl界面间的结合，但因高孔隙度的负面影响它不能得到证实。
热锻使强度明显提高。图10展示了用试样A062C(FeAl-15TiC-15Al2O3，vol％)加工成的弯曲试棒的三种应力变形曲线。这些曲线证实了不仅有高的强度，而且还有小的延展性。热锻的有益效果归因于消除了孔隙。为去除推测是在热锻过程中固结的热空位，将某些试样于500℃退火1天。去除铝化铁中的过多的空位导致了高屈服强度的下降，而提高了延展性。虽然期望退火降低了裂纹敏感性，提高了断裂强度，但发现退火对断裂强度无明显影响。
从锯齿形缺口试样的受控的断裂确定了经热锻的FeAl-15TiC-15Al2O3复合材料的室温断裂韧性。图11展示了测得的负荷-变形曲线。用等式KQ=[(W／A)E’]1／2评估断裂韧性，其中W是被吸收的能量(它相当于该负荷-变形曲线下面的面积)，A是裂纹经过的面积，E’是平面应变杨氏模量，即E／(1-v2)。假设v值为0．25。用下式E=[(cEpEm+Em2)(1+c)2-Em2+EpEm]／[(cEp+Em)(1+c)2]推算杨式模量E，式中的c=(1／Vp)1／3-1。Vp是该陶瓷颗粒的体积份额，Ep和Em是该陶瓷相的模数(推算为410GPa)和基体的模数(180GPa)。用上述等式推算出FeAl-15TiC-15Al2O3(vol％)的杨氏模量估算为228GPa。
以这种方式被评估的两个试样的断裂韧性列于表5中。考虑到整体铁的铝化物的断裂韧性相当低(30-50MPa m1／2)，该复合材料显现出令人满意的断裂韧性。
表5，热锻FeAl-15TiC-15Al2O3(vol％)的断裂韧性
从上述讨论可知，Al2O3未被液态FeAl充分湿润，从而难以使用液相烧结处理此复合材料。与Al2O3相反，ZrO2在与铁的铝化物接触时是热力学不稳定的。由于在ZrO2和FeAl反应时形成了脆的金属间相，所以作为FeAl／陶瓷复合材料中的填充物，ZrO2较不符合要求。另一方面，TiC促进FeAl对Al2O3的湿润。此外，不用经预合金化的FeAl，可将单质态的Fe和Al粉末用于FeAl／TiC／Al2O3复合材料的液相烧结。难熔金属，如Nb的添加会提高该复合材料的性能，使所产生的孔隙度可降到可接受的程度。含TiC和Al2O3的经液相烧结的铝化铁复合材料的室温抗弯强度可达约300MPa。热锻经液相烧结的FeAl-TiC-Al2O3复合材料可将室温抗弯强度高到约1000MPa，及产生量级为27MPa m1／2的断裂韧性。
上文陈述了本发明的原理，较佳的实施方案及作业模式。但不应将本发明限于所讨论的实施方案。因此，上述的实施方案应是说明性的而非限制性的，而且应清楚，本领域的技术人员在不违背本发明并限定于所附权利要求书中的范围条件下可对该实施方案作出各种改变。
权利要求
1．铝化铁复合材料，它含有铝化铁，氧化物填充物，及以改进该氧化物填充物和铝化铁间的冶金结合的量存在的添加剂。
2．权利要求1的铝化物复合材料，其中该铝化铁复合材料包括一种无Cr、无Mn、无Si和／或无Ni的液相烧结的复合材料。
3．权利要求1的铝化铁复合材料，其中该添加剂包括2-40％的碳化钛，而该氧化物包括2-40％的氧化铝。
4．权利要求1的铝化铁复合材料，其中该铝化铁复合材料包括≤40％(重量)的颗粒状或纤维状的氧化物填充物，该氧化物填充物以1-3倍于添加剂量的量存在。
5．权利要求1的铝化铁复合材料，其中该氧化物填充物包括10-25％(体积)的氧化铝，而该添加剂包括10-25％(体积)的TiC。
6．权利要求1的铝化铁复合材料，其中该铝化铁含≤2％的Mo、≤2％的Ti、≤1％的Zr、≤2％的Si、≤30％的Ni、≤0．5％的Y、≤0．1％的B、≤15％的Nb、≤1％的Ta、≤3％的Cu及≤3％的W。
7．权利要求1的铝化铁复合材料，其中该铝化铁主要由20．0％-31．0％的Al、≤1％的Mo、0．05-0．15％的Zr、≤0．1％B、0．01-0．2％的C、≤3％的W、余量的Fe构成。
8．权利要求1的铝化铁复合材料，其中该铝化铁主要由14．0-20．0％的Al、0．3-1．5％的Mo、0．05-1．0％的Zr、≤0．1％的B、≤0．2％的C、≤2．0％的Ti、≤3％的W及余量的Fe构成。
9．权利要求1的铝化铁复合材料，其中该铝化铁主要由20．0-31．0％的Al、0．3-0．5％的Mo、0．05-0．3％的Zr、≤0．2％的C、≤0．1％的B、≤0．5％的Y、≤2％的W及余量的Fe构成。
10．权利要求1的铝化铁复合材料，其中该铝化铁复合材料具有室温电阻率为80-400μΩ·cm的电阻加热元件的形状。
11．权利要求10的铝化铁复合材料，其中当电压最高为10伏，电流最高为6安的电流通过此复合材料时，该电阻加热元件以小于1秒的时间加热至900℃。
12．权利要求10的铝化铁复合材料，其中将电阻加热元件于空气中加热到1000℃保持3小时时，其增重小于4％。
13．权利要求10的铝化铁复合材料，其中室温至900℃的整个加热周期中该电阻加热元件的电阻为0．5-7欧姆。
14．权利要求1的铝化铁复合材料，其中该氧化物包括氧化铝、氧化钇、稀土氧化物和／或氧化铍，而该添加剂包括至少一种难熔的碳化物、难熔的氮化物或难熔的硼化物。
15．权利要求1的铝化铁复合材料，其中该铝化铁含(％重量)＞4％的Al及≤1％的Cr。
16．制造铝化铁复合材料的粉末冶金方法，它包括以下步骤将Al和Fe的粉末与氧化物粉末及以提高氧化物粉末和该铝化铁间的冶金结合的量存在的添加剂混合；将该粉末成形为坯体；及充分烧结此坯体，以形成该铝化铁和氧化物粉末的复合材料。
17．权利要求16的方法，其中的成形包括热压或冷压。
18．权利要求16的方法，其中的烧结包括固态烧结，其中部分铝化铁被熔化的局部液相烧结或其中的铝化铁全部被熔化的液相烧结。
19．权利要求16的方法，其中的成形包括将该粉末放在金属罐中，并将金属罐热挤压成杆、棒、管或其它形状。
20．权利要求16的方法，其中的铝化铁是一种二元合金。
21．权利要求16的方法，其中的氧化物粉末包括氧化铝、氧化锆、稀土氧化物和／或氧化铍粉末，该添加剂包括至少一种难熔的碳化物、难熔的氮化物或难熔的硼化物。
22．权利要求16的方法，其中的铁和铝粉末包括预合金化的FeAl粉末或至少铁和铝的单质态的粉末。
23．权利要求16的方法，其中的氧化物粉末以1-3倍于添加剂量的量存在。
24．权利要求16的方法，其中的氧化物粉末主要由Al2O3构成，添加剂主要由TiC构成。
25．权利要求16的方法，其中的氧化物粉末的粒度为0．01～10μm。
26．权利要求16的方法，它还包括将该坯体成形为电阻加热元件。
27．权利要求16的方法，其中通过将Fe和Al的单质态粉末放在一金属罐中，密封该金属罐，加热此密封的金属罐，以使粉末于挤压过程中经反应而合成，并形成铝化铁，从而使坯体成形为有形状的成形体。
28．权利要求16的方法，其中的烧结在真空或惰性气氛中进行。
29．权利要求28的方法，其中的惰性气氛包括氢。
30．权利要求16的方法，其中将该坯体成形为室温电阻率为80-400μΩ·cm的电阻加热元件。
全文摘要
铝化铁复合材料,它包括氧化物填充物及提高该氧化物填充物与该铝化铁的冶金结合的添加剂。该复合材料可用于结构件,挤压成形件及电阻加热元件。该铝化铁可包含(%重量)≤1%Cr、4—32%Al、≤2%Ti、≤2%Mo、≤1%Zr、≤1%C、≤3%W、及≤0.1%B。该氧化物填充物可含≤40%氧化铝颗粒,而该添加剂含量多40%的一或多种如TiC之类的难熔碳化物。
文档编号C22C33/02GK1292039SQ99803453
公开日2001年4月18日 申请日期1999年2月2日 优先权日1998年2月2日
发明者S·C·德威, J·H·施奈贝尔 申请人:菲利普莫里斯生产公司