Fe-Al金屬間化合物對AA2024/316LSS金屬/金屬復合材料的磨損和腐蝕性能的影響

Fe-Al金屬間化合物對AA2024/316LSS金屬/金屬復合材料的磨損和腐蝕性能的影響

Aykut Canakc? * , Serdar Ozkaya , Fatih Erdemir , A. Hasan Karabacak , Muslim Celebi

摘要：在本研究中，通過機械研磨和熱壓制備了具有不同316LSS含量（1e25wt％）的AA2024/316L不銹鋼（SS）金屬/金屬復合材料（MMC）。研究了316LSS和金屬間相含量對制備的MMC腐蝕和磨損性能的影響。結果發現，AA2024/25wt％316LSS復合材料的硬度增加到180HBN，而AA2024合金的硬度為111HBN。在20N負載下，AA2024/25wt％316LSS復合材料的磨損率（0.03mm3/m）低于AA2024合金的磨損率（0.29mm3/m）。通過在3.5wt％NaCl溶液中的電位動力學極化掃描研究了樣品的腐蝕性能。腐蝕測試結果表明，AA2024/1wt％316LSS復合材料（3.58mpy）的耐蝕性優于基礎合金（9.27mpy）。因此，可以推斷，FeeAl金屬間化合物在復合材料的腐蝕和磨損性能中起重要作用。

關鍵字：Fe-Al金屬間化合物、金屬/金屬復合材料、不銹鋼、AA2024合金

1. 簡介

鋁（Al）及其合金由于其高強度和低密度而被廣泛用于汽車，航空航天和其他結構領域。AA2024合金是一種商品合金，具有出色的機械性能[1e3]。但是，鋁合金的腐蝕和摩擦學性能不足以直接用于工業應用。鋁合金的腐蝕行為通常取決于微觀結構中的不均勻性，從而導致形成陽極-陰極區域和中等條件。這些區域促進了各種類型的局部腐蝕。原電池的形成引起較少貴族區域的電化學溶解。隨后，根據介質條件，在包圍金屬相的基體相中發生局部腐蝕。此外，Al基體中金屬間化合物的存在阻礙了空氣或水溶液中保護性氧化層的生長[4,5]。

通過生產鋁復合材料可以改善鋁合金的機械，摩擦學和腐蝕性能。通常使用SiC，B4C，Al2O3和其他陶瓷顆粒的不同組合來改善鋁復合材料的性能[1e3,6]。Ozkaya等。[1]報告說，添加B4C顆粒后，AA2024合金的拉伸強度大大提高。Erdemir等。[2]研究了SiC顆粒對AA2024復合材料的腐蝕和磨損性能的影響，發現隨著SiC含量的增加，復合材料的腐蝕和耐磨性增加。然而，由于基體和陶瓷顆粒之間的弱界面結合，鋁復合材料的延展性通常會降低[2,7,8]。此外，也有結塊，孔隙，顆粒破裂和拉出的問題[9e13]。Sethi[10]報道鋁/硅合金金屬基復合材料中陶瓷顆粒的增強導致顆粒開裂和脫粘。此外，鋁復合材料的二次加工，例如機加工，彎曲和切割也很困難。為了克服金屬/陶瓷復合材料的這些限制，已經設計了金屬/金屬復合材料（MMC）[14e17]。預期金屬/金屬復合物可以消除界面反應，空腔形成，增強顆粒的破裂和附聚以及高孔隙率的問題。在MMC中，基質和增強材料具有相似的特性，從而在界面處形成金屬間化合物。MMC中最常用的增強金屬和合金是Cu，Ni，Ti，Mg，316LSS[18e21]。在這些增強材料中，316LSS具有優異的耐腐蝕性和機械強度[22,23]。李巧蕾等。[24]研究了Al/316LSS中韌性/硬相的磨損特性Al/316LSS復合材料的耐磨性是基礎合金的三倍。哈桑等。[18]研究了基于鎂的MMC，并報告了最小的孔隙率和機械強度的提高?？死锵＜{等。[15]研究了通過攪拌鑄造生產的基于A356的Al/20Cu/10Mg增強復合材料，并聲稱機械性能（例如拉伸強度，彈性模量和延展性）得到了顯著改善。這些體系由至少兩種具有良好溶解性的不同金屬組成。此外，溶解的顆粒通過形成金屬間化合物提供更好的界面結合，而未溶解的顆粒則有助于在復合結構中實現分散增強。通常將AA2024基體添加到陶瓷增強材料中[25e28]。但是，對AA2024/316LSSMMC的研究非常有限。在本研究中，AA2024/316LSSMMC是通過機械銑削和熱壓制造的。此外，研究了316LSS和金屬間相含量對AA2024/316LSSMMC磨損和腐蝕行為的影響。

2. 實驗研究

將通過氣體霧化法生產的AA2024合金粉末（由GundoduExotermCompany，土耳其提供）用作基質粉末。這些粉末的平均粒徑為113mm，理論密度為2.76g/cm3。在表1中，列出了AA2024和316LSS合金的化學成分。使用平均粒徑為9mm，密度為7.9g/cm3的氣霧化316LSS粉末（由VdayAdditiveManufacturingTechnology，中國提供；純度99.9％）作為增強材料。收到的不規則韌帶AA2024和球形316LSS合金粉末的形貌如圖1所示。

復合粉末是通過機械研磨（MM）制成的。MM工藝在行星式球磨機（RetschPM100）中在室溫，氬氣氣氛下進行。在沒有任何過程控制劑的情況下，將粉末混合物在400rpm下研磨2小時。復合樣品編碼為“S”，后跟316LSS含量的數量（重量％）。球與粉末的重量比（BPR）為10：1，球磨機的直徑為10毫米。表2總結了本實驗中使用的銑削參數。

將復合粉末混合物裝入剛性鋼模具中，并在將氮化六硼硼施加到模具的內壁上之后，在500MPa下冷壓以形成圓柱體，從而抑制粉末在模具壁上的粘附。隨后，將所產生的生坯在真空下于560℃和500MPa下熱壓3小時。

通過掃描電子顯微鏡（SEM；ZeissEvoLS10）進行復合材料的微觀結構評估。在磨損測試之后，還通過SEM評估了復合樣品的磨損表面。在45kV和40mA的Cu-Ka輻射（1.541874?）下，通過X射線衍射（XRD;PANalytical/X’Pert3Pro）對復合材料進行相分析。在2q范圍35e90（步長?0.01和時間步?1s）中記錄XRD圖。復合材料的密度由阿基米德原理確定。

在干燥條件下，在10N，20N，40N和60N的正常負載下，以150rpm的轉速進行盤上球磨損試驗（相應的線速度為0.471ms1）。通過測量滑動試驗前后的重量差，以0.1mg的精度確定復合樣品的重量損失。每次測試后，將磨球從刀架上取下，輕輕刷一下，在超聲波浴中用丙酮清洗以除去磨損的碎屑，在80°C下干燥，然后再次放入刀架中。對每種條件進行了三項測試，并將其平均值用于分析。磨損率由下式確定。

 

在室溫下，在三電極系統上于3.5wt％NaCl水溶液中進行電位動力學極化實驗。AA2024/316LSSMMC（尺寸?6mm6mmx10mm）的作用是將工作電極熔接到銅線上，提供電氣連接并安裝在樹脂上。在每次腐蝕測試之前，將樣品用600e1500SiC紙研磨并用丙酮清潔。石墨棒和Ag/AgCl（SCE）分別用作對電極和參比電極。在每次腐蝕測試之前，采用45分鐘的初始延遲來穩定電極之間的開路電勢。為了評估樣品的腐蝕性能，通過塔菲爾外推法從動電位極化曲線獲得了每次腐蝕試驗后的腐蝕電位（Ecorr）和腐蝕電流密度（Icorr）。在1et0.5V的電壓范圍內以1mV/s的掃描速率進行電位動力極化實驗。每個實驗至少重復3次以確?？芍貜托?。

表1以重量百分比計的AA2024合金和316LSS的化學成分。

 

 

圖1.SEM形態；（a）AA2024合金粉末和（b）316LSS合金顆粒

表2銑削參數

 

3結果與討論

3.1微觀結構演變

圖2顯示了AA2024合金和AA2024/10％316LSS和AA2024/25％316LSSMMC的XRD圖譜。通常，在Al//中發現CrFeNi[29]，Fe2Al[30]，Fe2Al5[31]，FeAl，Fe4Al13，FeAl3[32]，Al2Cu[33]，FeO，Fe2O3，（FeCr）3O4和FeCrNiC[31]相。鐵和鋁/316L不銹鋼系統。在本研究中，存在Al，奧氏體Fe和其他金屬間相，例如Al2Cu，Fe4Al13和Fe2Al5。在復合樣品中被檢測到。圖2顯示了S/Fe，Fe4Al13和Fe2Al5相的峰，以及這些化合物在S10樣品的微觀結構中的分布。添加316LSS后，由于Al和316LSS在熱壓過程中的相互作用，出現了Fe4Al13和Fe2Al5相的峰。Fe4Al13和Fe2Al5相的強度隨316LSS含量從10％增加到25％而增加?？梢酝茢?，由于更多的Fe含量，大多數Fe4Al13和Fe2Al5相的沉淀物溶解在溶液中。在圖2b中，白色，灰色，深灰色區域分別代表316LSS顆粒，FeeAl金屬間化合物和AA2024合金。值得注意的是，316LSS顆粒幾乎被Fe4Al13和Fe2Al5包圍。在圖2a中，在金屬間相中未觀察到鉻。因此，可以推斷出560℃的熱壓溫度很低，導致鉻從316LSS擴散到AA2024合金中。XRD和SEM結果表明，在FeAl2金屬間化合物的形成過程中，鋁或鐵與金屬間化合物之間沒有鉻原子反應。此外，在鋼和鋁之間的界面上觀察到了一些缺陷，包括氣孔和裂紋（圖2b）。

在早期研究中[29e31]，已經報道了在Al和Fe的凝固和燒結過程中形成了FeAl，Fe4Al13和Fe2Al5金屬間化合物。Fe4Al13和Fe2Al5金屬間化合物表現出優異的性能，例如高強度，高硬度和高溫下的高強度。而且，這些金屬間化合物具有較高的電阻率和優異的耐腐蝕性。盡管FeAl和Fe2Al5相的燃燒反應始于636C，但在本研究中，在580C時觀察到了這些金屬間化合物的形成。這可以歸因于在高壓液相燒結過程中，熔融的AA2024擴散到316LSS顆粒的表面[32]。擴散的AA2024原子在低溫和高壓下與316LSS的Fe原子反應，形成Fe4Al13和Fe2Al5金屬間相[31]。圖3說明了具有不同316LSS含量的AA2024/316LSSMMCs的微觀結構。此外，在含量<5wt％316LSS的樣品中，Fe4Al13和Fe2Al5金屬間化合物的形成相對較低。晶界被316LSS顆粒包圍。從熱壓溫度冷卻期間在室溫下，由于含AA2024合金的晶界和316LSS顆粒之間的熱梯度差高，因此316LSS顆粒保持比含AA2024合金的晶界更高的溫度。因此，強大的熱梯度驅動力將這些顆粒推向邊界[34e36]。

 

圖2.a）金屬/金屬復合物的XRD分析，b）S10樣品的微觀結構。

從圖3c和d可以清楚地看出，S25樣品中的金屬間相含量高于S10樣品?？梢酝茢?，由于鐵表面積的增加，AA2024和316LSS顆粒之間的表面擴散導致了金屬間化合物的形成，從而導致了更多的金屬擴散。從圖3c和d中也可以注意到，這些316SS顆粒中的許多顆粒都涂覆有FeeAl金屬間化合物。經過研磨和拋光后，由于AA2024合金和FeeAl金屬間化合物之間的硬度差，幾乎沒有316不銹鋼顆粒出現在顯微組織中。

圖4顯示了S15樣品的EDS映射（紅色和綠色區域分別代表Fe和Al元素）。金屬間區域共同具有綠色和紅色，而AA2024和316LSS顆粒分別具有綠色和紅色，因此表明形成了基于Fe/Al的金屬間化合物。AA2024和316LSS顆粒之間的金屬間形成也由圖2和3證實。2和3。

 

圖3.AA2024/316LSS金屬-金屬復合材料a）S0b）S5c）S10d）S25的微觀結構。

圖5表示樣品的相對密度隨著316LSS含量從1％增加到25％而降低。測定的AA2024合金和S25樣品的相對密度分別為98％和75％，這可以歸因于316LSS顆粒的高硬度值。在凝固過程中，堅硬的316LSS顆粒會對AA2024合金和316LSS顆粒的堆積產生不利影響。此外，AA2024合金和316LSS顆粒之間的顆粒/顆粒接觸減少，從而在顆粒之間形成間隙。隨著316LSS含量從0重量％增加到25重量％，復合材料樣品的硬度從111HBN增加到180HBN（圖5）。通常，硬度隨著孔隙率的增加而降低。然而，由于形成脆性的FeeAl金屬間化合物，因此可以容忍孔隙率增加對AA2024/316LSSMMC硬度的影響。換一種說法，金屬間化合物的元素硬度對孔隙率的影響比AA2024/316LSS復合材料的硬度要高。此外，Fe4Al13和Fe2Al5金屬間化合物的形成增加了復合材料的平均硬度，因為這些金屬間化合物的硬度高于基礎AA2024合金。

3.2磨損行為

為了了解AA2024/316LSS復合材料的磨損行為，研究了磨損率與316LSS含量之間的關系。在AA20024合金中添加316LSS極大地影響了耐磨性。Fe4Al13和Fe2Al5金屬間化合物的含量增加，改善了復合材料的磨損性能。硬度從S5的127HBN到S25的180HBN的增加是由于磨損率的降低（圖6）。S0樣品的最高磨損率為0.33mm3/m，而S25樣品在40N載荷下的最低磨損率為0.05mm3/m。隨著施加的載荷從10N增加到60N，每種AA2024/316LSS復合材料的磨損率逐漸增加。在10N和60N載荷下，S25樣品的磨損率分別為0.01mm3/m和0.15mm3/m。S25樣品（0.15mm3/m）的磨損率在60N時最低，幾乎是60N負載下S0樣品（0.48mm3/m）的磨損率的三倍。在20N負載下，S25的磨損率比S0的磨損率高9倍。從9倍到3倍的下降率可以通過磨損機制的變化來解釋。

圖7顯示了S25樣品磨損表面在10N到60N的載荷變化下的二次（SE）和后向散射（BSE）SEM圖像。很明顯，樣品中發生了粘合劑和磨料磨損。在磨損測試期間，AA2024合金與鋼表面之間發生了粘著磨損。在10N負載下，有效的機理主要是膠粘劑磨損（圖7a和b）。隨著施加載荷的增加，磨料磨損機理變得突出。由于AA2024和316LSS材料的特性，預計不會觀察到磨料磨損機理。然而，結構中Fe4Al13和Fe2Al5金屬間化合物的存在導致磨料磨損。從圖7b和d可以看出，均勻的金屬間化合物存在于磨損區之外。但是，這些金屬間化合物的數量在發生腐蝕的區域減少了。換句話說，在磨損測試期間，從表面上去除了Fe4Al13和Fe2Al5金屬間化合物。然而，它們中的一些仍然存在于表面上并引起磨料磨損（圖7e）。

 

圖4.S15樣本的EDS映射。

 

圖5.AA2024/316LSS金屬/金屬復合材料的相對密度和硬度（HB32.5）。

 

圖6.AA2024/316LSS復合材料的磨損率。

3.3腐蝕評估

通常由于金屬間化合物在金屬基質中的分布而發生微觀結構中的不均勻性。這些金屬間化合物充當基質中的陽極或陰極。金屬間化合物的含量，金屬間化合物的分布以及基體合金的微觀結構是影響所制備復合材料腐蝕行為的關鍵因素。據報道，金屬間化合物中顆粒偏析水平的提高降低了復合材料的耐蝕性。Fe3Al增強的316L的腐蝕性能隨著金屬間含量的增加而降低?？梢酝茢?，金屬間化合物與金屬基體之間的電流效應會影響復合材料的整體耐蝕性[37,38]。

鋁被認為是基質中的陽極?？拷?16SS鋼表面的氧化鋁膜是造成AA2024合金點蝕的原因（圖8）。從圖5和圖6可以觀察到。從圖9和圖10可以看出，點蝕過程開始時，AA2024合金由于極性過大而變得不可極化電位降低，在腐蝕的表面上產生恒定的點蝕電位。在這種大的電位下降過程中，鋼表面的陰極反應被忽略了。

在復合材料的Tafel圖中，注意到了一個強大的潛在閉合電流，該電流比無源電流大幾個數量級，這證實了點蝕（圖9和10）。在圖9中，可以從AA2024合金在陽極區域的曲線檢測到明顯的鈍化機理。AA2024合金和具有1wt％316SS的復合材料的Icorr值分別測量為4.59mA和1.77mA。316SS<5wt％的復合材料的Icorr值介于1-5mA之間。因此，Al2024合金的點蝕是主要的，并且陽極反應通過點蝕機制來調節。AA2024/25wt％316LSS復合材料的電流密度（Icor）隨著腐蝕電位（Ecor）的增加而降低（圖10）。當復合材料的耐點蝕性大大提高時，電化腐蝕就占主導地位。

 

圖7.S25樣品的磨損表面a）10NSEb）10NBSEc）60NSEd）60NBSE圖像e）在60N正常載荷下的磨損表面放大倍數高。

 

圖8.點蝕過程示意圖。

 

圖9.在3.5wt％的NaCl溶液中的S0，S1，S2，S5樣品的塔菲爾圖。

 

圖10.在3.5wt％的NaCl溶液中的S10，S15，S20，S25樣品的Tafel圖。

表3列出了從AA2024合金和AA2024/316LSS復合材料的Tafel圖獲得的腐蝕參數。S1樣品的最低腐蝕速率為3.58mpy。Al2024合金的Icorr幾乎是S1的三倍，而S5的Icorr則比AA2024的Icorr略低。相當大的隨著316SS含量從1％增加到20％，復合材料的Icorr從3.58mpy上升到91.01mpy?？梢酝茢?，與基體合金相比，Fe4Al13和Fe2Al5金屬間化合物具有更大的陰極電位。因此，在點蝕過程中，金屬間相而不是316SS顆粒起主要作用。由于金屬間顆粒的聚集速率增加并引起電腐蝕，在基體中形成了陰極部位[39,40]。316SS含量達到20wt％之后，電偶腐蝕占主導地位。S25樣品的腐蝕速率低于S15合金?？梢酝茢?，隨著凹坑數量的減少，電流反應變得顯著。

表3從Tafel圖獲得的復合材料和AA2024合金的腐蝕電位（Ecorr），腐蝕電流（Icorr）和腐蝕速率（mpy）。

 

4．結論

在本研究中，研究了不同的316SS和FeAl金屬間相含量對AA2024/316LSSMMC磨損和腐蝕性能的影響。主要觀察結果描述如下。

1）通過粉末冶金和熱壓生產高性能的AA2024/316LSS復合材料。通過熱壓將316LSS顆粒與AA2024合金很好地粘合在一起。316LSS顆粒數量的增加增加了FeeAl金屬間化合物的含量。

2）XRD結果表明，復合物中存在Al2Cu，Fe4Al13和Fe2Al5化合物。隨著316LSS含量從10％增加到25％，Fe4Al13和Fe2Al5相的強度逐漸增加。

3）用25wt％的316SS增強的AA2024/316LSS復合材料的硬度達到180HBN，而AA2024合金的值為111HBN。

4）在40N負載下磨損率為0.05mm3/m的S25樣品表現出出色的耐磨性，而S0樣品的最高磨損率為0.33mm3/m。

5）腐蝕速率最低的S1樣品為3.58mpy，顯示出最佳的耐腐蝕性。Fe4Al13和Fe2Al5金屬間相在點蝕過程中起主要作用。

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