【word】Al-Si金属间化合物的XRD研究

Al-Si金属间化合物的XRD研究
第37卷增刊l
2008年1月
稀有金属材料与工程
RAREMETALMA TERIALSANDENG1NEERING
V o1.37,Supp1.1
January2008
机械合金化合成Ti.A1.Si金属间化合物的XRD研究
吴建鹏,曹丽云,黄剑锋,贺海燕
(陕西科技大学,陕西西安710021)
摘要:采用普通钢球为研磨介质,以单质Al,Ti和si为原料,对TiA16o-Silo,Ti50-A14o-Silo,Ti6o-A12o-Si2o,Ti7o—A13o-Silo
等在无保护气氛和非真空条件下,即低成本条件下进行球磨,获得了非晶态的金属间化合物.XRD分析表明,在球磨
约30h后就形成了Al3Ti,AITiAITi2等金属间化合物:球磨至78h时,就得到了无单质存在的Ti-Al基或Ti-si基金
属间化合物的非晶体.
关键词:机械合金化(MA);金属间化合物;非晶化合物
中图法分类号:TG146.4文献标识码:A文章编号:l002-l85X(2008)S1.573.03
金属间化合物以其耐高温,抗腐蚀和耐冲刷等特
殊性能已成为航空航天,交通运输,化工,机械等行
业重要的结构材料,并在近20年受到了广泛研究[1J. Ti—Al—si金属间化合物由于其优异的耐高温,抗氧化, 低密度性能,已成为航空航天领域研究的热点材料之--[钔
.由于金属间化合物晶体中金属键与共价键共存,
同时兼有金属的韧性和陶瓷的高温性能,因此,具有
很大的发展潜力.但是这些金属间化合物的广泛应用
受到其在室温下低塑性和低断裂韧性,低高温强度的
限制.为了提高其性能,将它们制成包含第二相,如
硼化物,碳化物和氧化物的复合材料[5].
制备金属间化合物的方法很多,机械合金化法(即
MA法)是最经济的一种,该法已成为合成亚稳相,
如过饱和固溶体,非晶合金和纳米材料的有效工艺.
近来在Ti—Al系中,Ti,Al金属间化合物已成功的用MA法制得.MA法一般是在真空或在保护气氛下球磨,而且磨球和球磨罐一般采用不锈钢做材质.本研
究试图在普通的实验条件即非真空或非保护气氛条件下,利用陶瓷球和普通钢球以及陶瓷材质的球磨罐来
制备Ti—Al—Si金属间化合物,以便使得制备高性能金属间化合物的MA法更便于工业化生产.
1实验
Ti,Al,Si粉的纯度≥99,粒度为74um.混
合粉末的组成是Ti一Al9o一Si1o为Ti在粉料中的质量分数,co/%)t51,具体配方见表1.球磨在KY-II双头
快速研磨机上进行,球磨气氛为非保护气氛,非真空,
转速为650r/min,球粉比为20:1,球磨罐为刚玉罐.
在球磨中,当球磨一定时间时,分别取出少量的粉体
进行XRD分析.实验用样品的配方及球磨条件见表1.
表1实验配方及球磨条件
Table1Formulationandmillingconditionsofthe experiment
-
Ceramicball,drymilling-
-
Steelball,wetmillingAlcohol
0.3Steelball,drymillingSodiumstearate
0.6Steelball,drymillingSodiumstearate
0.4Steelball,drymillingSodiumstearate
0.8Steelball,drymillingSodiumstearate
0.8Steelball,drymilling-Sodiumstearate
2结果与分析
图1给出了Ti5o—Al4o—Si1o样品初始态的XRD图谱,
可见初始态样品的物相是纯净的单质Ti,Al,Si相.
图2,图3分别是Ti5o-AI4o—Si1o和Ti3o—Al6o—Si1o
采用钢球(球径为l0mm)在干磨条件下,随球磨
时间变化的XRD图谱.由图2可见,随着球磨时间
的延长,晶体Ti,Al,Si的衍射峰不断宽化,弱化.
原始粉料在球磨了23h后,已经没有纯的Ti,Al,si
相存在(见图2a).这是由于Ti活性大,容易与Al,Si
发生反应形成金属间化合物,同时,较小的Al和si
原子溶解到Ti中,导致Al和Si原子的不规则分布;
收稿日期:2007.09.10
基金项目:陕西省教肓厅科学研究项目(06JK334)
作者简介:吴建鹏,男,1961年生,学士,副教授,陕西省科技大学材料科学与工程学院,陕西西安710021.电话:02%3574379
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加勰加
稀有金属材料与工程第37卷
另一方面,Ti,Al,si晶粒尺寸不断减小,内应力不
断增加,当溶质原子在溶剂中的固溶度超过临界值后,
溶剂的晶格失稳崩溃,形成非晶体.形成的金属问化
合物相为A1Ti3,A1Ti2,A1Ti,Ti5Si4等.另外,由图
2可见,随着球磨的继续,Ti5si相的含量不断增加,
衍射峰强度越来越强,这是由于粉料随着球磨的进行,
严重塑性变形,产生高密度缺陷;同时,晶粒不断细
化,甚至达到纳米晶,这些因素均使体系的自由能提
高,si2Ti,Ti5si3,si3Ti等继续反应,不断转变成Ti5si4,
最后,Tisi4在体系中成为超饱和固溶体【刚.由图3可
见,Ti30一Al60一Si10用钢球干磨了23h后就形成了A1Ti3, A1Ti2,A1Ti等金属间化合物,球磨到78h就可得到无
单质Ti,Al,Si存在的Ti—Al基或Ti—Si基金属间化合
物.同时发现,该配方样品中没有Ti5si超饱和固溶
体的出现,可能是由于Ti含量少,已基本转化为A1Ti,
A1Ti2,A1Ti,A12Ti,Si2Ti等金属间化合物的缘故.
&
‘
g
图1Ti5o-A140.Si10初始态的XRD图谱
Fig.1XRDspectrumoftheinitialTiso?A14o—Silo
图4给出了Ti50一Al40一Si10样品用陶瓷(刚玉)球
在于磨条件下随球磨时间变化的XRD图谱.由图可
见,球磨的不同阶段,样品中均出现了Ti和Al的氧
化物相,这是由于取样检测时,样品出现了自蔓延燃
烧现象所致,出现氧化物相对形成金属间化合物是不
利的【.实验中,通过停机后放置一段时间,让样品
充分冷却后再取样即消除了自蔓延燃烧现象.由图还
可见,随着球磨时间延长,样品中生成的A1Ti3,A1Ti2,
A1Ti等金属间化合物相增多,同时,样品中刚玉相也
在增多,这主要是由于刚玉球和罐磨损所致.上述表
明:用刚玉球球磨可制得金属间化合物,但引入了不
易去除的刚玉相.同时,刚玉材质较钢轻,对粉料的
冲击力小,使得形成金属间化合物的球磨时间变长,
一
方面使得球磨效率降低,另一方面也增加了产生刚
玉相的机会.于是,将刚玉磨球改为钢球进行实验.
非晶合金的粉体样品(即图3中的d样品),在真
空炉中加热至750℃保温1h,进行退火处理.退火后
的XRD图谱如图5所示.可见,非晶合金经过退火
处理后,非晶态的金属间化合物完全析晶成晶态的金
属间化合物,而且析出的晶态金属间化合物以AlTi
相为主,有少量的A1Ti3,A1Ti2,Ti5Si4等Ti—Al基和
Ti—Si基金属间化合物.未发现氧化物等其他杂质相的
20/(.)
图2Tiso?A14o—Silo不同球磨阶段的XRD图谱(钢球)
Fig.2XRDspectraofTiso—A14o—Sil0fordifferentmillingtime(steel bal1):(a)23h,(b)5lh,(c)78h,and(d)10lh
‘晶
g
20/(.)
图3Ti3o-A160.Si10不同球磨阶段的XRD图谱(钢球)
Fig.3XRDspectraofTi3o?A16o?Silofordifferentmillingtime (steelbal1):(a)23h,(b)51h,(c)78h,and(d)101h
j
一
‘晶
g
菪
20/(.)
图4Ti50.Al40.si10不同球磨阶段的XRD图谱(瓷球)
Fig.4XRDspectraofTiso—A14o?Silofordifferentmillingtime (ceramicbal1):(a)38h,(b)55h,(c)110h,and(d)123h
增刊l吴建鹏等:机械合金化合成Ti-A1.si金属问化合物的XRD研究?575?
存在,从而证明,在非真空和非保护气氛下,通过机
械合金化可以合成较纯Ti.A1..si金属间化合物.
A
口
口
20/(.)
图5Ti30.Al60.sil0经750℃真空退火的XRD图谱
Fig.5XRDspectrumofTi3o-A16o-Siloaftervacuumannealingat 750℃
在以上的球磨过程中,虽然未采用抽真空或充保
护气氛,但采取了使球磨罐密封以及球磨完成后放置
一
定时间使粉料充分冷却的办法,从而达到了防止粉
料氧化的目的.虽然球磨罐中有一定量的空气,但由
于球磨过程中会放热,使罐内产生较高的压力,使部
分空气从球磨罐的密封缝隙中逸出,导致罐内氧的含
量减少,从而使得样品未被氧化.
球磨中,随着粉粒度细化,会出现严重的粘壁现
象,这会使磨球不能有效冲击粉料,使粉不能充分实
现硬化,焊和,断裂进而达到合金化的目的.通过加
入适量的过程控制剂(硬脂酸钠),不仅有效解决了粘
壁问题,而且在很大程度上缩短了合金化的进程.
另外,从理论上讲,用易挥发的中性有机试剂湿
法球磨较干法球磨有着更大优越性[7,81,首先湿法球磨
不会出现粘壁问题,无须加入过程控制剂;而且随着
球磨的进行,球料温度升高也不会出现粉料氧化的问
题;同时湿磨还可以大为减少磨球和磨罐的磨损问题.
这些都会使最终形成的金属间化合物的杂质含量大大
减少,这对金属间化合物的形成是非常有利的.本实
验用无水乙醇作试剂也进行了湿法球磨的尝试,由于
球磨罐密封不严,球磨产生的高能量使无水乙醇急剧
膨胀,最后发生了爆炸,使得实验失败.若条件具备,
尚需对湿法球磨进行进一步的试验.
3结论
用机械合金化法通过改变实验条件对配方为
Ti30-A16o-Sil0,Tiso-A14o-Silo,Ti6o-A12o-Si2o,Ti7o-A130-
si10的粉体在无保护气氛和非真空条件下即低成本条
件下进行球磨大约50h即可获得纯度较高的非晶态
Ti.A1.si金属间化合物.这些非晶态的金属间化合物
经过真空退火处理又可析晶成晶态的金属间化合物.
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inairusingA1,TiandSiasthesourcematerialsandstainlesssteelballasthegrin dmedium.XRDanalysesshowedtheformationofthe
intermetallicsofA13Ti,A1Ti3,A1Ti2after30hgrinding.Theintermetallicc ompoundoftheTi-A1systemandtheTi.Sisystemwere obtainedaftergrindingfor78h.
Keywords:MA;intermetallicscompounds;amorphouscompound Biography:WuJianpeng,AssociateProfessor,SchoolofMaterialsSciencea ndEngineering.ShaanxiUniversityofScience&Technology,
Xi’an710021,PR.China,Tel:0086-29-33574379,E-mail:w~ianpeng@sus 。