【文章內容簡介】 將取出的片狀試樣在研缽在研磨成粉體。制備粉體的各種工藝參數和燒成制度如下：● 氣氛：％的氬氣保護● 氣體流量：160mm（氣體流量計參數）● 溫度：200℃之前，5℃/min的升溫速度，旨在排出空氣，200℃之后，以10℃/min的升溫速度。達到最高燒成溫度時保溫1h?！?燒結溫度：以差熱分析的結果為參考，分別定700℃、850℃、1050℃、1250℃?！?保溫時間：在最高燒成溫度保溫1h?！?冷卻速度：在通入氬氣下，關掉電源，自然冷取。 熱壓制備Cr2AlC塊體材料[10] 熱壓燒結是在高溫下加壓，促使壞體燒結的方法。對于難熔的，不易壓制的和燒結的陶瓷材料非常適用。 熱壓燒結有晶界滑移傳質和熱壓蠕變傳質，是普通燒結過程所沒有的。晶界滑移是一種高效率的傳質過程。在外加應力的作用下，坯體中的粉料有直接充填堆集間隙的趨勢。因而使相鄰顆粒間可能出現剪應力，可能出現晶界相對運動或晶界滑移。當壓力小、溫度低的時候，粉粒間的嚙合摩擦力大于這種剪應力，滑動不能出現，隨著溫度上升，粉粒的可塑性增加，機械強度下降，若有足夠大的壓應力出現時，晶界就能夠滑移。晶界滑移主要是在剪應力作用下的快速傳質過程，而擠壓蠕變主要是相對靜止的晶界在正壓力作用下的緩變過程。由于壓應力的作用，受壓晶界處的空格點附近將出現較高的空格點濃度。在受壓晶界與無壓晶界之間。便出現明顯的空格點濃度差。因此而導致了兩種晶界之間的傳質流，即空格點自無壓晶界擴向受壓晶界。這就是機械力轉變?yōu)閭髻|動力的過程。根據熱壓過程中不同時間內物質傳遞的主要方式，熱壓燒結的致密化過程可分成三個階段。（l)熱壓初期 在外加應力作用下，相對密度迅速增大，粉粒重排、晶界滑移引起的局部碎裂或塑性流動傳質，將大型堆積空隙填空；（2)熱壓中期 密度增加顯著減慢，其傳質動力是在壓力下空間格點擴散以及晶界氣孔消失。擠壓初期，空格點濃度差及擴散速度較大，密度增長較快，但到擠壓后期，蠕變傳質不明顯，致密化速度較慢；（3)熱壓后期，外壓力作用不明顯，只是利于質點躍過晶界而進行再結晶。 實驗過程及設備 塊體的制備是進行材料金相分析、掃描電鏡分析和測定材料硬度的基礎。理論計算和實驗都表明Cr2AlC是一種很有應用前景的高溫結構材料。但是，由于制備上非常困難，有關Cr2AlC制備和性質方面的報道非常有限。雖有一些關于Cr2AlC的報道，但大都集中在對其物理性能的研究，很少深入到更深的層次。 本實驗通過真空燒結壓機（RXJ2000K型，活塞直徑 125mm，額定壓力 250KN，額定油壓 20MPa，壓頭尺寸 250mm250mm）進行熱壓燒結，由于采用的為石墨模具（36mm3mm4mm），模具中的石墨在高溫下將和原料中的鋁粉和鉻粉發(fā)生反應，因此用六方氮化硼做為脫模劑。 熱壓制備Cr2AlC塊體材料流程圖。涂脫模劑模具清理、組裝模 具攤 料刮 料初 壓投 料稱 料熱壓燒結取 模卸 模 熱壓燒結制備Cr2AlC塊體材料工藝流程圖● 真空度：● 溫度：200℃之前，30℃/min的升溫速度，旨在排出空氣，200℃之后，以60℃/min的升溫速度。達到最高燒成溫度時保溫1h?！?燒結溫度：以差熱分析的結果為參考，分別定為700℃、850℃、950℃● 壓力制備：初始壓力5MPa,達到最高燒成溫度時壓力升到25MPa,隨溫度保壓1h?！?冷卻：關掉電源，循環(huán)水冷卻系統(tǒng)冷卻。 材料分析測試 熱分析為了優(yōu)化合成時的工藝參數，尤其是確定生成目標產物的反應溫度，就需要對生成目標產物的反應溫度進行研究。熱分析是實現這一目標強有力的工具。實驗所采用的原料為鉻粉、鋁粉和石墨按上述四種不同配比在混料機中球磨24小時的粉末。稱重后，放入鋼模中壓制成薄片。用鑷子取其部分放入差熱分析儀（WCT2C型）的坩堝中做熱分析，以Al2O3做為參比物。在氬氣保護氣氛下從室溫以10℃/min的速率升溫到1450℃。升溫過程中記錄溫度的變化。 X射線衍射分析(XRD)相組成分析在日本理學電機(Rigaku)D/maxrB 自動X射線衍射儀上進行。為保證測試精度，所用試樣表面經仔細拋光。實驗條件如下：Cu靶，Ni濾波片；管電壓50Kv，管電流100mA；掃描速度1o/min。(SEM)和能譜分析(EDX)將經過磨制、拋光、腐蝕（腐蝕劑為1HNO3∶1HCl∶1HF）后的試樣橫截面及拉伸后試樣斷口，在日立S570掃描電鏡上觀察顯微組織和斷口形貌；在JEOL JCXA733電子探針儀上觀察材料橫截面上的元素分布特征。3 試驗結果和討論 反應路徑分析．1 物相分析 本研究共選用4組不同配比的原料，、鋁粉和石墨在加熱過程中的差熱分析結果由以上四個差熱分析結果可知，在661℃時出現了一強的吸熱峰，在700℃時出現了一強的放熱峰，在830℃附近出現了一弱的吸熱峰，在1035℃出現了一較強的吸熱峰，在1250℃附近出現了幾個吸熱和放熱峰。在1350℃時出現了較強的放熱峰。根據差熱分析結果可以看出，四種不同配比的原料在差熱分析中峰的位置并沒有變化。這是因為，不同的原料配比只是鋁原子的過量數不同，這是因為在制備Cr2AlC材料時溫度較高，而鋁粉的熔點較低，會產生流失和揮發(fā)。因此在反應體系設計時要考慮到這個問題，但是鋁粉含量的多少只會影響生成的目標產物的含量多少，并不會影響所發(fā)生的反應。由于上述幾種不同配比的原料差熱分析時所出現的峰值并無變化，因此在研究合成Cr2AlC材料的反應路徑時我們就其一種配比（Cr:Al:C=2：:1）進行分析和討論。原料在不同溫度下的X－。 原料（Cr:Al:C=2：：1）在不同溫度下的X－射線衍射圖譜，在661℃有一強的吸熱峰，對應著鋁的熔化。Al的熔化為熱量的交換和在物質間的反應提供了有利的環(huán)境。在700℃附近出現了一強的放熱峰，X－射線衍射分析表明在700℃加熱的樣品中出現了Cr9Al17金屬間化合物。因此，700℃的放熱峰對應著金屬間化合物Cr9Al17的生成。隨著溫度的升高，在850℃附近出現了一較弱的吸熱峰和一較寬的放熱峰，X－射線衍射分析表明在850℃前后加熱的樣品中出現了Al8Cr5和Al2Cr結晶相，因此，在850℃附近生成了金屬間化合物Al8Cr5和Al2Cr。但是，Al8Cr5和Cr2Al對應著哪一個峰卻不能得出，隨著溫度的繼續(xù)升高，當溫度達到1050℃時，又出現了一個較強的吸熱峰，－射線衍射圖譜中可以看出在1050℃對應著Al2Cr的大量生成，因此就可以得出在850℃附近弱的吸熱峰對應著少量Cr2Al生成，而850℃附近較寬的放熱峰對應著Al8Cr5的生成。由鉻－鋁二元相圖[7]也可以很直觀的看出。 二元鉻鋁相圖由鉻－鋁二元相圖可以看出，在850℃的溫度下可以產生產生βAl8Cr5和Cr2Al相，但是形成βAl8Cr5相的鋁的含量較高，而形成Cr2Al相的鋁含量較低，因此當βAl8Cr5的同時也使鋁的含量減少，加之鋁易流失和揮發(fā)，使鋁的含量較鉻減少，更能促進Cr2Al相的生成。此結論也可以從反應動力學理論的角度得以論證，因為本實驗是一加熱的過程，而升高溫度能利于吸熱反應的進行，不利于放熱反應的進行，因此可以判斷850℃附近的弱吸熱峰和1050℃較強的吸熱峰對應著金屬間化合物Cr2Al的生成。而850℃附近較弱且較寬的放熱峰對應著金屬間化合物βAl8Cr5的生成。，在1050℃溫度下原料中的單質鋁、鉻和前期反應所形成的Cr9Al1Cr2Al、Al8Cr5全部消失，只有原料中的石墨還有殘留，并且生成了較多的Cr2Al相[18]。而且在X－射線衍射圖譜和后節(jié)的能譜圖中也可以看出有Cr2Al生成。當在1250℃的溫度下保溫1h后，通過X－射線衍射結果分析，生成了目標產物Cr2AlC和少量的Cr7C3相，其他的金屬間化合物均已消失，結合CAlC三元相圖（）分析，認為這和鋁的燒損有關，鋁的燒損使鋁在三種原料中的百分含量減少所致，從而使生成物偏離出形成純凈Cr2AlC相的區(qū)域。為驗證不同配比的原料所生成物相的不同，對不同鋁過量的原料分別在1250℃溫度下燒結1h生成產物的X－。 不同鋁過量在1250℃下燒結合成粉體的XRD圖譜，四種不同配比的原料在差熱分析中峰的位置和生成的產物種類并沒有變化。只是生成的目標產物的數量不同，這是因為，在制備Cr2AlC材料時溫度較高，而鋁粉的熔點較低，鋁的燒損使鋁的含量低于Cr2AlC的化學計量比，因此，使產物中產生了Cr7C3相。但是鋁粉含量的多少只會影響生成的目標產物的含量多少，并不會影響所發(fā)生的反應。 700℃下的樣品燒結的背散射電子圖像及能譜分析樣品在700℃(a和1－4)所示。1234 （a） 1234 700℃下保溫1h的掃描電鏡背散射圖像及能譜圖。