固液反应球磨Al-Cu-X金属间化合物微观结构及相形成规律研究

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金属间化合物为基的合金或材料由于独特的优良性能在航天航空等国防技术领域和机械、冶金、化工、电子等民用工业领域具有广泛应用前景,目前正在发展成为一种新型金属材料。而目前金属间化合物的制备方法和形成机理研究主要集中在二元金属间化合物,关于三元金属间化合物的制备及其的微观结构的研究鲜有报道,对于三元金属间化合物的形成机理研究仅限于模式识别研究和计算预测。因而进一步开发和优化三元金属间化合物的制备工艺及其形成机理、微观结构演变规律尚需系统深入的研究。  据此,本文在陈振华教授发明的固液反应球磨技术和采用固液反应球磨技术制备二元纳米级的金属间化合物粉体的研究基础上,进一步探索三元金属间化合物的制备及形成机理研究:选取Ni、Co、Mo、W作为磨球,以Al-Cu合金熔体作为球磨介质,采用固液反应球磨技术,系统开展Al-Cu-X(X为Ni、Co、Mo、W)三元金属间化合物的制备研究,获得的主要规律如下:  (1)采用Ni球固液反应球磨Al-Cu熔体,球磨机转速为80r/min,球料质量比为11∶1。在893K温度下,采用Ni质磨球对Al5Cu熔体进行反应球磨,球磨产物除 Al4Cu9二元化合物粉末外,可生成Al7Cu4Ni粉末,并随球磨时间从12h延长至48h,Al7Cu4Ni粉末质量分数逐步增加;在1123K温度下,对Al2Cu熔体进行反应球磨,球磨产物除 Al4Cu9二元化合物粉末外,生成了Al7Cu4Ni和Al7Cu23Ni粉末,同时随球磨时间的延长,Al4Cu9及Al7Cu4Ni粉末质量分数减少,而逐步过渡到 Al7Cu23Ni粉末;在1123K温度下,对AlCu熔体进行反应球磨,球磨产物除少量的Al4Cu9二元化合物粉末外,主要为Al7Cu23Ni三元金属间化合物粉末。  球磨过程化合物相的形成规律为,先形成Al4Cu9相为热力学平衡相,继而在Ni球的球磨作用下,由于机械力作用生成以 Al4Cu9相为基的第二类固溶体,即AlCuNi三元金属间化合物;Ni质磨球对Al-Cu熔体反应球磨的产物的粒径为纳米级,粒径范围在100~150纳米,扫描电镜观察,粉体呈团絮状。  (2)采用比 Ni熔点更高的Co球固液反应球磨 Al-Cu熔体,可以制备出Al-Cu-Co三元金属间化合物粉末;随球磨温度的提高,以及球磨时间的延长,产物除二元Al4Cu9化合物粉末外,首先生成AlCo,继而生成Al3Co0.55Cu1.45,随后出现 Al65Co15Cu20三元化合物粉末,随熔体的Cu含量由33.2mass%增加至54mass%时,产物中Al4Cu9逐渐减少,产物主要为Al3Co0.55Cu1.45和Al65Co15Cu20混合物;Al-Cu-Co固液反应球磨过程中,化合物相的形成规律为磨球中的Co先与 Al-Cu母合金反应生成AlCo,并且 Al-Cu母合金转化成Al4Cu9,然后 Al4Cu9和AlCo的化合物反应生成Al-Cu-Co三元金属间化合物;反应产物粒径约为200nm,单个颗粒中的晶粒在20纳米左右。  Al-Cu-Co固液反应球磨产物的形成规律为,Co先和Al-Cu母合金反应生成AlCo,并且Al-Cu母合金转化成Al4Cu9,然后Al4Cu9和AlCo的化合物反应生成Al-Cu-Co三元金属间化合物的。  (3)采用比Co熔点更高的Mo球固液反应球磨Al-Cu熔体,球磨初期产物为Al4Cu9和Al5CuMo2混合物,随球磨温度的提高、球磨时间的延长,反应生成了单一的Al5CuMo2三元金属间化合物粉末;球磨制备的Al5CuMo2三元金属间化合物粉末粒径约为200 nm,晶粒度在15nm左右。  Al-Cu-Mo固液反应球磨反应过程为,首先Al和Mo发生反应生成了Al-Mo的化合物,然后Al-Mo化合物和Al-Cu化合物反应生成Al-Cu-Mo的三元化合物。  (4)采用比Mo熔点更高的W球固液反应球磨Al-Cu熔体,球磨初期产物为 Al4Cu9和Al5CuW2混合物,随球磨温度的提高、球磨时间的延长,反应生成了单一的Al5CuW2三元金属间化合物粉末;球磨制备的Al5CuW2三元金属间化合物粉末粒径约为200 nm,晶粒度在15nm左右。  (5)固液反应球磨技术制备Al-Cu-Al-Cu-X(X为Ni、Co、Mo、W)的三元金属间化合物过程中,控制球磨工艺参数和球磨介质成分含量可控制反应过程中的相的形成规律及其生成速度,从而可以选择性地制备Al-Cu-X纳米级的三元金属间化合物粉末。
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