Si掺杂Fe-13Cr-6Al电热合金性能研究
摘要
Fe-Cr-Al系合金因其突出的抗氧化、耐腐蚀能力以及高电阻率、低电阻温度系数等
优点，被用于制作电热材料。但由于常规熔铸工艺的Fe-Cr-Al合金存在晶粒粗大、高温
机械强度低、氧化层易剥落以及加工性能差等缺陷，严重限制了Fe-Cr-Al系合金的应用
和发展。因此，通过添加微量合金化元素开发新型Fe-Cr-Al电热合金，提高其高温强度、
抗氧化能力及加工性能具有重要的学术价值和工程意义。
本文以Fe-13Cr-6Al电热合金作为研究对象，通过真空感应熔炼工艺引入不同含量
（0.1wt.%、0.2wt.%、0.3wt.%、0.4wt.%）的合金化元素Si制备出新型Fe-Cr-Al电热
合金，探究Si对于Fe-13Cr-6Al电热合金组织结构、力学性能以及高温抗氧化性能的影
响，阐明合金化元素Si与合金机械性能和高温抗氧化性能之间的构效关系，从而为开发
先进Fe-Cr-Al系电热合金提供数据支撑和理论指导。
观察不同状态的Fe-13Cr-6Al-xSi合金组织发现，随着Si添加量的增加，其晶粒细
化作用越加明显。经过400℃轧制和800℃退火1h后的合金再结晶程度完全，晶粒细密
均匀，确定其为最佳热加工工艺，Fe-13Cr-6Al-0.4Si合金再结晶退火后的平均晶粒尺寸
只有20μm，为5种成分中最小。合金退火后，可以观察到第二相粒子的析出，其析出
数量与Si含量呈正相关。X射线衍射（XRD）结果显示，Fe-13Cr-6Al-xSi合金的基本
物相由FeAlCr组成，Si的“掺杂”造成晶格畸变，合金的晶格常数、位错密度及微观应
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变增大。
力学性能测试结果表明，添加Si能够显著提升Fe-13Cr-6Al电热合金的强度和韧
性，且随着Si含量的增加，合金强度和韧性的提升幅度越大。其中Fe-13Cr-6Al-0.4Si合
金的力学性能最优：退火后硬度可达241.8HV，常温下抗拉强度、屈服强度和断裂伸长
率分别为628MPa、465MPa、23.17%；500℃下抗拉强度、屈服强度和断裂伸长率分别
为573MPa、304MPa、26.78%，显著高于纯相Fe-Cr-Al系合金材料。结合其组织结构
分析可知，Si对Fe-13Cr-6Al电热合金的强韧化机理主要包括细晶强化（韧化）、固溶强
化以及析出强化。
对比Fe-13Cr-6Al-xSi合金高温氧化前后质量变化得到，合金的氧化增重曲线随Si
含量的增加呈抛物线型下降，添加Si可以有效减缓Fe-13Cr-6Al电热合金地氧化速率，
降低合金的氧化增重。Fe-13Cr-6Al-0.4Si合金的单位面积氧化增重最少，仅为
0.2426mg·cm-2。氧化层物相分析结果显示，合金的氧化层主要由AlO组成，加入Si
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哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
后，氧化层中出现了新的SiO相以及AlSiO复合氧化物相。观察合金氧化层形貌与分
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析元素分布可以发现，添加Si使得合金的氧化层变得致密且连续，基体中Fe、Cr的扩
散被抑制，氧化腐蚀程度降低。根据各氧化还原反应的吉布斯自由能变化推演其氧化过
程可得，氧化过程中AlO将优先形成，而Si的加入使得Fe、Cr的氧化物更易被Al还
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原，从而生成更多的AlO覆于基体表面。此外，Si的掺杂使界面处结合能降低，