反应合成Ni（Fe）-Al金属间化合物的研究

论文摘要

Ni-Al、Fe-Al系金属间化合物材料具有强度高,耐高温性好,导电、导热率高等优异性能,是介于高温合金和陶瓷之间最有希望的高温结构材料之一。由于金属间化合物存在的物相较多且制备复杂,对其反应过程及机理方面的研究存在一定的困难。研究Ni-Al、Fe-Al系金属间化合物的反应过程及各种工艺参数对反应过程和影响,对于提高其产品性能的可控性,扩大应用领域具有重要意义。本文以Ni、Al、Fe粉末为原料,通过加热使Ni与Al、Fe与Al发生原位反应,生成金属间化合物材料。首先计算了Ni-Al系、Fe-Al系不同金属间化合物的绝热温度,分析反应物配比（1：1、2：1、3：1）对生成物的物相组成的影响,探讨配比对物相的影响规律；结合差热分析实验及不同温度下烧结产物的物相组成,分析反应过程；并探讨了工艺参数（粉末粒度、升温速率、压坯强度）对反应过程的影响规律。研究结果表明：Ni-Al、Fe-Al体系不同金属间化合物的绝热温度均随着A1含量的变化而变化,在常温下Ni-Al体系中只有NiAl金属间化合物的绝热温度高于1800K,Fe-Al体系所有的金属间化合物绝热温度都低于1800K,要想发生自蔓延反应需要外界对体系进行能量补充。反应物配比对Ni-Al、Fe-Al两种体系烧结产物物相组成的影响规律大致相同。当Ni：Al=1:1（at.%）时,反应生成物只含有NiAl相,形态为不同位向的片层组织；当Ni:Al=2:1（at.%）时,生成物中含有NiAl和Ni3Al;相,形态为针片状的Ni3Al分布在黑色的NiAl基体上；当Ni:Al=3:1 （at.%）时,生成物只中有Ni3Al相,形态为形状不规则的块状组织,边界模糊。而当Fe:Al=1:1 （at.%）时,反应生成物只含有FeAl相；当Fe:Al=2:1 （at.%）时,生成物中含有FeAl和Fe3Al相；当Fe:Al=3:1 （at.%）时,生成物中只有Fe3Al相；对于Fe-Al体系,三种不同配比烧结产物的微观形貌有明显的不同,随着Fe含量的增多,颗粒越来越细小和均匀,颗粒间的结合也越来越紧密,孔隙也逐渐减小,致密化程度升高。反应生成NiAl、FeAl金属间化合物的反应过程相似：反应过程中都产生了两个放热峰和一个吸热峰,都是开始于固态扩散。首先发生生成中间相NiAl3、Ni2Al3（Fe2Al5）的反应,反应放热引发第一放热峰；随着反应的进行都有Al的熔化现象发生,并产生了吸热峰；最后中间相和剩余的Ni、Fe发生反应,生成最终产物,并引发第二放热峰。A1颗粒的大小,体系的升温速率和压坯强度对Ni-Al的反应过程都有很重要的影响：A1颗粒越小,越有利于固态扩散和液相的产生,能够促进反应的进行；升温速率升高,可以弥补反应过程中热量的损失,还可以提高反应体系的过热度,促进反应的进行；压坯密度越高,颗粒之间结合越紧密,越有利于反应过程的传质和传热,有利于提高反应速度。同时,改变压坯强度还可以改变反应模式,压坯强度足够高时,反应可以由自蔓燃模式转变成热爆模式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 金属间化合物
• 1.2 Ni-Al金属间化合物
• 1.3 Fe-Al金属间化合物
• 1.4 金属间化合物的制备方法
• 1.5 课题的提出及主要研究内容
• 2 试验方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验设备
• 2.3 工艺路线及实验步骤
• 2.4 实验方案
• 2.5 测试手段
• 3 反应合成Ni（Fe）-Al金属间化合物的热力学分析
• 3.1 绝热温度计算方法
• 3.2 Ni-Al金属间化合物的绝热温度计算（298K）
• 3.3 Fe-Al金属间化合物的绝热温度计算（298K）
• 3.4 小结
• 4 反应合成产物的物相以及组织结构分析
• 4.1 Ni-Al系不同配比反应分析
• 4.2 Fe-Al系不同配比反应分析
• 4.3 小结
• 5 反应过程以及工艺参数的影响分析
• 5.1 Ni:Al=1:1反应过程分析
• 5.2 工艺参数对NiAl反应过程的影响
• 5.3 Fe:Al=1:1反应过程分析
• 5.4 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步的工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间参与的科研项目
• 发表的文章