题目：高温耐磨耐蚀Fe9Cr9Si2基三元金属硅化物铁基合金

断裂、腐蚀及磨损是材料失效的三大主要形式。在航空、航天、石油、化工及钢铁、有色金属冶炼等先进工业及国防现代化工业生产装备中，存在着大量在高温、腐蚀以及氧化等恶劣环境下承受强烈摩擦磨损作用的耐磨运动零部件，对材料性能要求苛刻，要求材料兼具优异的耐磨、耐蚀性能、低的摩擦系数、良好的强韧性配合和成形加工性能。以钢铁为代表的铁基合金材料具有强韧性好、易于加工成型、成本低等特点，是当今应用最广、最成熟的金属材料。然而由于碳对传统Fe-C铁基合金耐磨与耐蚀方面相矛盾的作用，传统铁基合金难以兼具优异的耐磨及耐蚀性能。以过渡金属硅化物为代表的金属间化合物合金具有熔点高、高温抗氧化性能优异、耐蚀性好、高温蠕变强度高等突出优点，在高温耐磨耐蚀领域具有很好的应用前景，但其室温脆性严重及成形加工性能差，制约了这类材料的实际应用。通过合金化方法引入韧性第二相是改善金属间化合物韧性的最有效的方法之一。固溶大量Cr、Si等元素的铁基固溶在具有优异的韧性的同时，还兼具优良的耐蚀性能和较高的强度，是金属间化合物的理想韧化相之一。据此，本文设计出了以固溶大量Cr、Si的铁基固溶体a为增韧相，以s相Fe9Cr9Si2三元金属硅化物为基的新型铁基高温耐磨耐蚀三元金属硅化物合金，系统研究了合金成分对组织以及性能的影响，研究该合金的固态相变行为，探索了改善该金属间化合物合金成形加工性能的方法，测试了合金的抗压强度、滑动摩擦系数、室温干滑动磨损性能、二体磨料磨损性能、高温滑动磨损性能、腐蚀磨损性能、阳极极化曲线和浸泡腐蚀性能，并分析了合金的耐磨耐蚀机理。结果表明：1、Fe9Cr9Si2基金属间化合物合金组织对凝固后的冷却速度十分敏感。通过感应炉熔炼-金属型铸造方法获得的厚板状合金和细棒状合金，成分完全相同，由于凝固后冷却速度不同，其组成相和性质相差很大。厚板状合金由于凝固后冷却速度较慢，由具有s相晶体结构的Fe9Cr9Si2金属间化合物和铁基固溶体a组成，Fe9Cr9Si2体积含量高达79%（称为缓冷双相铸态），硬度约为HV970，密度7.71 g/cm3；细棒状合金由于凝固后冷却速度较快，抑制了Fe9Cr9Si2析出，显微组织为近单相铁基固溶体a（称为激冷淬火铸态），硬度约HV400，密度7.74 g/cm3。2、分析了热处理冷却方式及冷速对合金组织性能的影响，通过时效、固溶、退火等热处理手段有效的控制了合金的相组织组成：缓冷双相铸态合金经1080℃保温30min空冷后（称为1080回火态），其中Fe9Cr9Si2体积百分含量约54%，硬度约HV680，密度7.67 g/cm3；缓冷双相铸态合金在1160℃以上保温30min水淬处理后，其中的Fe9Cr9Si2几乎完全固溶于铁基固溶体a中，其显微组织相当于激冷淬火铸态；激冷淬火铸态合金经650℃时效处理1h，Fe9Cr9Si2沿原铁基固溶体a晶界开始析出；激冷淬火铸态合金经800℃时效处理1h，Fe9Cr9Si2完全析出，合金硬度高达HV950，与缓冷双相铸态合金相当。因而实现了利用热处理获得高韧性的非平衡态合金对难加工的a/Fe9Cr9Si2金属间化合物合金进行加工成型（通过水淬处理，具有a/Fe9Cr9Si2双相组织的缓冷双相铸态合金的显微组织能完全转变为单相铁基固溶体a，通过时效处理，具有单相铁基固溶体a组织的激冷淬火铸态合金能转变为具有与缓冷双相铸态合金硬度相当的a/Fe9Cr9Si2双相合金；而具有单相铁基固溶体a组织的激冷淬火铸态合金具有良好的机械加工性能）。3、缓冷双相铸态合金、激冷淬火铸态合金和1080回火态合金这三种状态的Fe-Cr-Si三元金属硅化物铁基合金在室温下均具有较高的抗压强度，其中通过1080回火态合金具有较高的断裂压缩率（约15%）和最高的抗压强度（约1900MPa），表现出良好的强韧性。4、Fe-Cr-Si三元金属硅化物铁基合金与淬火45#钢、1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢、TC4钛合金匹配都具有非常低的摩擦系数，且摩擦系数随Fe-Cr-Si三元金属硅化物铁基合金的Fe9Cr9Si2含量的提高而降低。5、在室温干滑动磨损、二体磨料磨损、高温滑动磨损测试条件下，Fe-Cr-Si三元金属硅化物铁基合金都具有非常优异的耐磨性能。室温干滑动磨损测试下，以Fe9Cr9Si2为强化相的缓冷双相铸态合金和1080回火态合金与淬火45#钢匹配时，发生“轻度氧化磨损”，具有最佳的抗磨能力，且随着载荷的加大、磨损时间的增加其抗磨优势更加明显；韧性较好的激冷淬火铸态合金和1080回火态合金与YG8硬质合金匹配时，发生“严重氧化磨损”，具有最佳的抗磨能力，且随着载荷的加大、磨损时间的增加其抗磨优势更加明显；二体磨料磨损性能测试下，Fe9Cr9Si2含量最高的缓冷双相铸态合金具有最佳的抗磨料磨损性能，且随磨粒粒度的增加，抗磨料磨损性能优势更大；高温滑动磨损性能测试下，1080回火态合金的高温耐磨性优异，且随磨损温度的提高其耐磨性提高。6、缓冷双相铸态合金、激冷淬火铸态合金、1080回火态合金在3.5%NaCl水溶液、0.5N硫酸水溶液中具有优异的耐腐蚀磨损性能，并借助滴蚀试验讨论了腐蚀磨损测试中腐蚀与磨损的交互作用叠加量。7、在3.5%NaCl水溶液、0.5N硫酸水溶液、1N硝酸水溶液中的阳极极化曲线测试和在0.5N硫酸水溶液中的浸泡腐蚀性能测试结果表明Fe-Cr-Si三元金属硅化物铁基合金均具有优异的抗腐蚀性能：由于三种状态合金各组成相在含有较高含量抗酸性腐蚀元素Si的同时，其Cr含量都具有高于25 at%的，因此三种合金的电化学耐蚀性能都十分出色。其中缓冷双相铸态合金中Fe9Cr9Si2和铁基固溶体a的Cr含量相差较大（敏化效应高），其耐蚀性相对稍差，但其在0.5N硫酸水溶液中耐浸泡腐蚀性能仍与1Cr18Ni9Ti不锈钢的相当；由于1080回火态和激冷淬火铸态合金的Cr含量分布非常均匀（敏化效应低），因而在0.5N硫酸水溶液中表现出非常出色的耐浸泡腐蚀性能。 8、Fe9Cr9Si2三元金属硅化物基合金具有良好的高温组织稳定性： 缓冷双相铸态合金和1080回火态合金高温经950℃保温168h后，合金的显微组织和硬度均无明显变化。