NiAl-FeSi 复合材料的高温氧化与热稳定性

《Journal of Alloys and Compounds》：High-temperature oxidation and thermal stability of NiAl-FeSi composites

　　

摘要

由 NiAl 基体和 FeSi 增强相组成的复合材料正在开发中，作为一种硬度和耐磨性优异的材料，有望替代硬质合金或某些工具钢。目前，其摩擦学性能与常见的冷作工具钢相当，但优势在于无需通过淬火和回火热处理即可获得这些性能。因此，本研究重点评估该材料在 700 °C 和 900 °C 下的抗氧化性，并评估其暴露于这些温度后的硬度，旨在调查其潜力，不仅在于承受加工过程中产生的高温，还在于热加工应用，如锻压工具。测得的 NiAl-FeSi 复合材料的抛物率常数在 10^-5 到 10^-6 数量级，与工具钢相当或更低。

引言

由于欧盟对第三国日益增加的依赖，欧盟委员会于 2011 年发布了第一份关键原材料 (CRM) 清单 [1]。这一举措支持了替代或改善具有重要经济意义且同时面临高供应风险的原材料回收的研究。由于地缘政治局势的变化和行业的发展，该清单定期更新。在工具材料的组成成分中，当前清单包括钨 (W) 和钴 (Co)，它们包含在硬质合金或高速钢中。因此，人们正在努力用合适的替代品替代这些材料（或仅个别元素）[2]。关于使用含钴材料健康隐患的担忧也推动了这种替代 [3]。近年来，已经开发出潜在的替代材料 Ti-Al-Si 合金，实际上是“原位”Ti₅Si₃ – TiAl 或 Ti₃Al 复合材料 [4]。这些材料通过多种方法制备，包括粉末冶金工艺以及定向结晶，后者允许制备 Ti₅Si₃ – Ti₃Al 纤维增强复合材料 [5]。然而，Ti-Al-Si 材料的低断裂韧性、Ti₅Si₃ 相热膨胀系数的各向异性 [6]，以及钛自 2020 年起被列入关键原材料清单 [1]，使得这种替代的可行性变得复杂。其他研究也针对金属间复合材料进行了探讨，例如铝化物 - 陶瓷 [7]、硅化物 - 陶瓷 [8] 或硅化物 - 铝化物涂层 [9]。

最新的研究结果 [10] 表明，FeSi – NiAl 复合材料可能是一种有趣的替代方案，虽然它们达不到硬质合金的参数，但硬度和耐磨性与高速钢相似，且无需热处理。因此，它们的应用不仅可以节约关键原材料，还可以降低该金属加工细分行业的环境足迹。此外，由于初始成分相对较低的价格，预计这种替代在经济上是可行的。

在加工过程中，刀具刀片接触区的温度通常可达 650 – 800 °C，在高速工艺中甚至超过 1000 °C [11]。因此，有必要在升温下测试潜在替代品的行为。此外，这些新的金属间复合材料有望用于热加工应用，如热成形工具，并有可能在比热作 H13 钢更高的温度下应用，后者可使用高达 550 °C [12]、[13]。因此，本研究的目的是描述 NiAl-FeSi 金属间复合材料的高温氧化和热稳定性。

章节摘要

材料与方法

通过机械合金化合成镍铝金属间化合物和铁硅金属间化合物，并随后混合这些相，制备了硅化物与铝化物质量比为 1:1、2:1 和 1:2 的 NiAl-FeSi 复合材料。从纯金属粉末中合成了重 20 克 且化学组成对应于 NiAl 和 FeSi 的混合物，这些粉末按化学计量比混合，随后进行机械合金化处理。以下粉末用于制备机械合金化 (MA) 混合物：Fe

复合材料的相组成和微观结构

经放电等离子烧结 (SPS) 方法后，不同 NiAl:FeSi 比例的 FeSi–NiAl 复合材料仅包含 NiAl、FeSi 和 Fe₅Si₃ 相。这些复合材料的微观结构以及它们的相组成在 [10] 中有详细描述。

具有不同 NiAl 与 FeSi 相比例烧结复合材料因所含相的量而异，如微观结构所示（图 1）。微观结构图像中的暗区对应于 FeSi 硅化物相，而最亮的

讨论

观察到的芯部硬度变化（图 2 和图 13）表明，NiAl–FeSi 复合材料的热稳定性取决于时间和温度。在 700 °C 下短时间暴露 (2 小时) 期间，1:1 比例的复合材料相比 1:2 和 2:1 比例表现出稳定性。然而，在同一温度下暴露 400 小时 后所有成分硬度的下降表明了一种缓慢的退化机制，可能与可能的应力松弛有关。相比之下，显著的

结论

本研究调查了 NiAl-FeSi 金属间复合材料的高温氧化行为和热稳定性。结果表明，NiAl-FeSi 复合材料在高温暴露期间表现出优异的抗氧化性，主要归因于其表面形成保护性氧化铝层。芯部的相组成几乎不受 700 和 900 °C 下长期热暴露的影响，尽管它不是

CRediT 作者贡献声明

Pavel Novák: 项目管理，方法学，调查，资金获取，形式分析。 Ji?í Duda: 撰写 – 原稿。 Petr Suchánek: 调查，数据管理。 Filip Pr??a: 方法学，调查。 Kate?ina Skotnicová: 撰写 – 审查与编辑，资源。 Ivo Szurman: 撰写 – 审查与编辑，资源。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/人际关系。Pavel Novak 报告称，捷克科学基金会提供了财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争财务利益或人际关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究由捷克科学基金会提供财务支持，项目编号 23-05126S。

Pavel Novák|Ji?í Duda|Petr Suchánek|Filip Pr??a|Kate?ina Skotnicová|Ivo Szurman

布拉格化学与技术大学 金属与腐蚀工程系，Technická 5, 166 28 布拉格 6, 捷克共和国，欧盟