【文章內(nèi)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(shù)和燒成制度如下：● 氣氛：％的氬氣保護(hù)● 氣體流量：160mm（氣體流量計(jì)參數(shù)）● 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(dá)到最高燒成溫度時(shí)保溫1h?！?燒結(jié)溫度：以差熱分析的結(jié)果為參考，分別定700℃、850℃、1050℃、1250℃?！?保溫時(shí)間：在最高燒成溫度保溫1h?！?冷卻速度：在通入氬氣下，關(guān)掉電源，自然冷取。 熱壓制備Cr2AlC塊體材料[10] 熱壓燒結(jié)是在高溫下加壓，促使壞體燒結(jié)的方法。對(duì)于難熔的，不易壓制的和燒結(jié)的陶瓷材料非常適用。 熱壓燒結(jié)有晶界滑移傳質(zhì)和熱壓蠕變傳質(zhì)，是普通燒結(jié)過程所沒有的。晶界滑移是一種高效率的傳質(zhì)過程。在外加應(yīng)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(xiàn)剪應(yīng)力，可能出現(xiàn)晶界相對(duì)運(yùn)動(dòng)或晶界滑移。當(dāng)壓力小、溫度低的時(shí)候，粉粒間的嚙合摩擦力大于這種剪應(yīng)力，滑動(dòng)不能出現(xiàn)，隨著溫度上升，粉粒的可塑性增加，機(jī)械強(qiáng)度下降，若有足夠大的壓應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)，晶界就能夠滑移。晶界滑移主要是在剪應(yīng)力作用下的快速傳質(zhì)過程，而擠壓蠕變主要是相對(duì)靜止的晶界在正壓力作用下的緩變過程。由于壓應(yīng)力的作用，受壓晶界處的空格點(diǎn)附近將出現(xiàn)較高的空格點(diǎn)濃度。在受壓晶界與無壓晶界之間。便出現(xiàn)明顯的空格點(diǎn)濃度差。因此而導(dǎo)致了兩種晶界之間的傳質(zhì)流，即空格點(diǎn)自無壓晶界擴(kuò)向受壓晶界。這就是機(jī)械力轉(zhuǎn)變?yōu)閭髻|(zhì)動(dòng)力的過程。根據(jù)熱壓過程中不同時(shí)間內(nèi)物質(zhì)傳遞的主要方式，熱壓燒結(jié)的致密化過程可分成三個(gè)階段。（l)熱壓初期 在外加應(yīng)力作用下，相對(duì)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(dòng)傳質(zhì)，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(zhì)動(dòng)力是在壓力下空間格點(diǎn)擴(kuò)散以及晶界氣孔消失。擠壓初期，空格點(diǎn)濃度差及擴(kuò)散速度較大，密度增長較快，但到擠壓后期，蠕變傳質(zhì)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(zhì)點(diǎn)躍過晶界而進(jìn)行再結(jié)晶。 實(shí)驗(yàn)過程及設(shè)備 塊體的制備是進(jìn)行材料金相分析、掃描電鏡分析和測定材料硬度的基礎(chǔ)。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都表明Cr2AlC是一種很有應(yīng)用前景的高溫結(jié)構(gòu)材料。但是，由于制備上非常困難，有關(guān)Cr2AlC制備和性質(zhì)方面的報(bào)道非常有限。雖有一些關(guān)于Cr2AlC的報(bào)道，但大都集中在對(duì)其物理性能的研究，很少深入到更深的層次。 本實(shí)驗(yàn)通過真空燒結(jié)壓機(jī)（RXJ2000K型，活塞直徑 125mm，額定壓力 250KN，額定油壓 20MPa，壓頭尺寸 250mm250mm）進(jìn)行熱壓燒結(jié)，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(yīng)，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(jié)取 模卸 模 熱壓燒結(jié)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(dá)到最高燒成溫度時(shí)保溫1h?！?燒結(jié)溫度：以差熱分析的結(jié)果為參考，分別定為700℃、850℃、950℃● 壓力制備：初始?jí)毫?MPa,達(dá)到最高燒成溫度時(shí)壓力升到25MPa,隨溫度保壓1h?！?冷卻：關(guān)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(shí)的工藝參數(shù)，尤其是確定生成目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)溫度，就需要對(duì)生成目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)溫度進(jìn)行研究。熱分析是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)強(qiáng)有力的工具。實(shí)驗(yàn)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(jī)中球磨24小時(shí)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(hù)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(xué)電機(jī)(Rigaku)D/maxrB 自動(dòng)X射線衍射儀上進(jìn)行。為保證測試精度，所用試樣表面經(jīng)仔細(xì)拋光。實(shí)驗(yàn)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(jīng)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(yàn)結(jié)果和討論 反應(yīng)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(jié)果由以上四個(gè)差熱分析結(jié)果可知，在661℃時(shí)出現(xiàn)了一強(qiáng)的吸熱峰，在700℃時(shí)出現(xiàn)了一強(qiáng)的放熱峰，在830℃附近出現(xiàn)了一弱的吸熱峰，在1035℃出現(xiàn)了一較強(qiáng)的吸熱峰，在1250℃附近出現(xiàn)了幾個(gè)吸熱和放熱峰。在1350℃時(shí)出現(xiàn)了較強(qiáng)的放熱峰。根據(jù)差熱分析結(jié)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?yàn)?，不同的原料配比只是鋁原子的過量數(shù)不同，這是因?yàn)樵谥苽銫r2AlC材料時(shí)溫度較高，而鋁粉的熔點(diǎn)較低，會(huì)產(chǎn)生流失和揮發(fā)。因此在反應(yīng)體系設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到這個(gè)問題，但是鋁粉含量的多少只會(huì)影響生成的目標(biāo)產(chǎn)物的含量多少，并不會(huì)影響所發(fā)生的反應(yīng)。由于上述幾種不同配比的原料差熱分析時(shí)所出現(xiàn)的峰值并無變化，因此在研究合成Cr2AlC材料的反應(yīng)路徑時(shí)我們就其一種配比（Cr:Al:C=2：:1）進(jìn)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(qiáng)的吸熱峰，對(duì)應(yīng)著鋁的熔化。Al的熔化為熱量的交換和在物質(zhì)間的反應(yīng)提供了有利的環(huán)境。在700℃附近出現(xiàn)了一強(qiáng)的放熱峰，X－射線衍射分析表明在700℃加熱的樣品中出現(xiàn)了Cr9Al17金屬間化合物。因此，700℃的放熱峰對(duì)應(yīng)著金屬間化合物Cr9Al17的生成。隨著溫度的升高，在850℃附近出現(xiàn)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(xiàn)了Al8Cr5和Al2Cr結(jié)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(duì)應(yīng)著哪一個(gè)峰卻不能得出，隨著溫度的繼續(xù)升高，當(dāng)溫度達(dá)到1050℃時(shí)，又出現(xiàn)了一個(gè)較強(qiáng)的吸熱峰，－射線衍射圖譜中可以看出在1050℃對(duì)應(yīng)著Al2Cr的大量生成，因此就可以得出在850℃附近弱的吸熱峰對(duì)應(yīng)著少量Cr2Al生成，而850℃附近較寬的放熱峰對(duì)應(yīng)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(chǎn)生產(chǎn)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(dāng)βAl8Cr5的同時(shí)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(jìn)Cr2Al相的生成。此結(jié)論也可以從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論的角度得以論證，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是一加熱的過程，而升高溫度能利于吸熱反應(yīng)的進(jìn)行，不利于放熱反應(yīng)的進(jìn)行，因此可以判斷850℃附近的弱吸熱峰和1050℃較強(qiáng)的吸熱峰對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)著金屬間化合物βAl8Cr5的生成。，在1050℃溫度下原料中的單質(zhì)鋁、鉻和前期反應(yīng)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(dāng)在1250℃的溫度下保溫1h后，通過X－射線衍射結(jié)果分析，生成了目標(biāo)產(chǎn)物Cr2AlC和少量的Cr7C3相，其他的金屬間化合物均已消失，結(jié)合CAlC三元相圖（）分析，認(rèn)為這和鋁的燒損有關(guān)，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(yàn)證不同配比的原料所生成物相的不同，對(duì)不同鋁過量的原料分別在1250℃溫度下燒結(jié)1h生成產(chǎn)物的X－。 不同鋁過量在1250℃下燒結(jié)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(chǎn)物種類并沒有變化。只是生成的目標(biāo)產(chǎn)物的數(shù)量不同，這是因?yàn)椋谥苽銫r2AlC材料時(shí)溫度較高，而鋁粉的熔點(diǎn)較低，鋁的燒損使鋁的含量低于Cr2AlC的化學(xué)計(jì)量比，因此，使產(chǎn)物中產(chǎn)生了Cr7C3相。但是鋁粉含量的多少只會(huì)影響生成的目標(biāo)產(chǎn)物的含量多少，并不會(huì)影響所發(fā)生的反應(yīng)。 700℃下的樣品燒結(jié)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。