机械合金化与热处理制备Al3Ti金属间化合物

机械合金化与热处理制备AL。TI金属间化合物刘涛等67机械合金化与热处理制备AL3TI金属间化合物刘涛，周万城，周亮，罗发，朱冬梅西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072摘要以高纯AL粉和TI粉为原料，通过高能球磨机械合金化和空气中热处理制备了AL3TI金属间化合物粉末。使用XRD和SEM测试分析了球磨过程中粉末的物相结构和形貌的变化过程，对热处理后的粉末进行了XRD晶体结构测试。结果表明，高能球磨60H后，原料粉末转变为非晶态粉末。将非晶态粉末在500C以上热处理后，转变为AL。TJ金属间化合物。关键词机械合金化热处理A13TI金属间化合物中图分类号TG1462文献标识码AFABRICATION0FAL3TIINTERMETALLICCOMPOUNDWITHMECHANICALALLOYINGANDHEATTREATMENTLIUTAO，ZHOUWANCHENG，ZHOULIANG，LUOFA，ZHUDONGMEISTATEKEYLABORATORYOFSOLIDIFICATIONPROCESSING，NORTHWESTERNPOLYTECHNICUNIVERSITY，XIAN710072ABSTRACTTHEAI3TIINTERMETALLICCOMPOUNDWASFABRICATEDBYMECHANICA1ALLOYINGANDBEATTREATMENTINAIRWITHPOWDEROFHIGHPUREAIANDTITHEMICROSTRUCTUREANDMORPHOLOGICEVOLUTIONOFTHERAWPOWDERBLENDWEREMONITOREDBVX_RAYDIFFRACTIONANDSCANELECTRONMICROSCOPYTHECRYSTALSTRUCTUREOFTHEPOWDERAFTERHEATTREATMENTWASINVESTIGATEDBYTHEXRAYDIFFRACTIONTHERESULTSINDICATETHATTHERAWPOWDERTRANSFORRNTOTHEAMORPHOUSPOW。DERAFTERHIGHENERGYMILLING6OHTHEAMORPHOUSPOWDERTRANSFORRNTOTHEPOWDEROFAI3TIINTERMETALLICCOMPOUNDBYTHEHEATTREATMENTATTEMPERATUREABOVE500。CKEYWORDSMECHANICALALLOYING，HEATTREATMENT，ALATIINTERMETALLICCOMPOUND0引言航空领域的高温结构材料是近年来人们研究开发的热点。TI合金由于具有高的比强度和韧性口，是航空金属材料中的首选。作为TI合金中密度最低的一类材料，AL。TI金属间化合物由于具有高模量216GPA、低密度33GCM。、良好的高温强度和优异的抗氧化性能，是理想的轻质高温结构材料_2。，受到了航空行业学者的重视，但是由于AL。TI金属间化合物的塑性差，室温延伸率仅为L3，脆性大，影响了其实用性_4。传统的制备AL。TI金属间化合物的方法主要有熔炼铸造和粉末冶金。熔炼铸造的难点在于AL。TI金属间化合物的熔点过高，带来熔炼炉和铸模的困难。采用粉末冶金制备A1。TI的方法包括元素粉末法、自蔓延高温合成法SHS、放电等离子烧结SPS等，无论是哪种工艺，在烧结前都需要对A1、TI混合粉末进行模压成型处理，并且烧结温度过高，烧结性能较差，同时会出现显微组织偏析。制得的合金含有较高的杂质含量氧、氮、氯和微观缺陷，使得其力学性能和延伸率差。使用机械合金化和热处理制备AL。TI金属间化合物是目前比较看好的工艺方法。制备过程是通过高能球磨机球磨AL、TI混合粉末，粉末经过变形、断裂、焊接，形成AL、TI多层复合粉，产生大量的新鲜表面和缺陷，提高了粉末体系的能量，降低了烧结温度。将球磨后的复合粉末在较低温度下进行热处理，即可制得高性能的AL。TI金属间化合物，并且具有较高的塑性7。本实验通过机械合金化法制备了AL。RRI非晶态粉末，然后进行热处理来制备A1。RRI金属间化合物，并对反应过程中出现的现象进行了分析和探讨。1实验将原料高纯AI粉纯度为996，粒度为1M和粉纯度为995，粒度为4O6OM按A131配料装入高能球磨机中，同时加入5的石蜡PCA用来防止粉料粘结。然后进行球磨，球料比为1O1，转速为500RMIN，球磨60H。装料和球磨过程均在AR气保护下进行，球磨机为QM3SP4行星式，球磨罐和磨球均为AL0。将球磨国家自然科学基金51072165刘涛男，1986年生，硕士生，从事高温材料研究周万城通讯作者，男，教授，博导，主要从事无机材料研究EMAILWCZHOUNWPUEDUCN68材料导报B研究篇2011年11月下第25卷第11期后的混合粉末在空气热处理炉中处理LOH，处理温度分别为300、400、500。C、600。采用扫描电镜MODELSPURA55ZEISS对球磨后的粉末进行颗粒显微形貌的观察。采用X射线衍射仪PERTMPOPRO5球磨后和热处理后的粉末进行物相分析，X射线源为CU靶，加速电压为40KV，电流为35MA。热处理粉料的晶粒尺寸通过测量衍射峰的半高宽并运用谢乐公式来计算得到80892一FLCOSO式中P为扣除了机器误差后的半高宽，为衍射峰对应的衍射角，为入射X衍射波的波长O15406NM。2结果与讨论21机械合金化过程分析图1是不同球磨时间后AL。TI二元昆合粉末的XRD图谱。从图1可以看出，随着球磨时间的延长，AL和RRI的衍射峰逐渐变宽，峰强度逐渐减小。衍射峰变宽与粉末颗粒内发生晶粒细化和微观应变有关。而峰强度减小是由球磨过程中AL与RRI相互扩散，晶体结构严重畸变直至破坏引起的。球磨至40H后，TI的峰完全消失，说明TI完全扩散到AL的晶格内。球磨60H后，AL的峰也基本消失，说明粉末已经转变为非晶态结构。而此时，从XRD图谱中并没有发现AL。TI金属间化合物的生成，说明在此种实验条件下球磨60H后并不能得到ALTI金属间化合物。王天国等的研究也证实单纯靠球磨很难得到AL。TI金属问化合物。图1不同球磨时间后ALTI二元混合粉末的XRD图谱FIG1XRDPROFILESOFTHEDUALISTICPOWDERBLENDAFTERDIFFERENTMILLINGTIME值得注意的是，在图L中有ALO。出现。AL0。主要由两种途径产生。一种途径是，随着球磨的进行，AL粉末发生显著的磨碎细化，产生大量的新鲜表面，而且AL属于较活泼金属，当球磨结束后，粉料从球磨罐中取出时，AL粉失去AR气保护，与空气接触发生氧化，在A1粉表面生成A1Z0。，在实验中同时观察到了放热现象，陈新亮等的研究中也发现了这一现象，如果整个热处理过程在真空下进行，能有效地减少氧化引起的杂质；另一种途径是，由于本实验使用的是AL。0。球磨罐和磨球，在球磨过程中发生损耗，产生A120S细粉，混人AL。TI粉料中。如果使用耐磨性更好的球磨罐和磨球，如碳化钨WC等“，能减少损耗引起的杂质，PNANDI等1嵋的研究显示，使用碳化钨的球磨罐和磨球进行机械合金化，杂质含量小于2。对不同球磨时间后的AL。TI粉料进行SEM形貌分析，测试结果如图2所示。由于在本实验中，使用的TI粉为4O60GM，尺寸远大于所使用的AL粉1M。所以图2中颗粒较大的粉末为TI粉。从图2中可以看出，随着球磨时间的延长，粉末颗粒发生明显细化，大的TI粉颗粒的数量逐渐减少。值得注意的是，即使在球磨20H的SEM图中也发现了一些特别细小的粉末，这些粉末有可能是AL球磨罐和磨球在球磨过程中发生损耗后产生的细粉。图2不同球磨时间后AL，TI二元混合粉末的SEM形貌图FIG2SEMIMAGESOFTHEDUALISTICPOWDERBLENDAFTERDIFFERENTMILLINGTIME22热处理过程分析图3为将球磨60H的非晶态粉末在空气中热处理10H后的XRD衍射图谱。图4为将图3中39。处峰的半高宽带入谢乐公式中计算所得晶粒尺寸。从图3可以看出，300C热处理后出现的A1。峰强度很低，半高宽很宽，晶粒尺寸仅为77NM如图4所示，因此其结构主要为纳米晶体结构。由此可知，300的处理温度较低，不足以使非晶态粉末发生结晶化转变。图3不同温度下热处理10H后AITI非晶态粉末的XRD图谱FIG3XRDPROFILESOFTHEAMORPHOUSPOWDERAFTERANNEALINGINAIRATDIFFERENTTEMPERATUREFOR10H机械合金化与热处理制备AL。TI金属间化合物刘涛等69随着热处理温度升高至500，AL。TI峰的强度增加，半高宽减少，晶粒尺寸增大，600热处理后，晶体结构没有发生明显变化，说明在500。C处理后，A1。TI非晶态粉末已经全部转化为A1。TI晶体。SSNAYAK等L1。的研究结果证实在550以上的温度处理后非晶态粉末转化为晶态，与本实验结果相近。FZHANG等J的研究结果显示AI。TI粉末的晶粒尺寸随热处理温度变化的趋势与图4的结果一致。ANNEALEDTEMPERATUREHC图4AITI粉末的晶粒尺寸随热处理温度的变化曲线FIG4VARIATIONOFGRAINSIZEOF3TIPOWDERWITHANNEALEDTEMPERATURE从图4还可以看出，在600C热处理后，与500C热处理的结果相比，A1。RRI的峰和晶粒尺寸并没有明显变化，同时A1O。的衍射峰面积也没有明显增加。由于热处理是在空气中进行的，由此可知，AI。TI的抗氧化性能优异，在6OOC长时间与空气接触也没有发生明显氧化。3结论1通过60H球磨，原料粉末基本转化为非晶态粉末，同时含有少量的ALZ3杂质。如果采用真空热处理，并改用更耐磨的球磨罐和磨球将会减少杂质的含量。2对非晶态粉末在空气中热处理10H，当热处理温度在500以上时，非晶态粉末转变为晶态，得到了A1TI金属间化合物。参考文献1LUKTHEFUTUREOFMETALSJSCIENCE，2010，328163192WANGSHOUREN，LICHANGCHUFORMATIONOFLAMODIFIEDL12一ALATIBYMECHANICALALLOYINGANDANNEALINGJMATERCHARACT，2008，5944403FANGJ，SONGXPMECHANICALALLOYINGANDTHERMALSTABILITYOFA167TI25M8MCR，ZR，CULJ1MATERSCIENGA，1997，23111114LUXIANGHONG吕祥鸿，YANGYANQING杨延清，MAZHUN马志军PROGRESSOFFIBERREINFORCEDTIA1INTERMETALLICMATRIXCOMPOSITES纤维增强TI_A1金属间化合物基复合材料的发展JMATERREV材料导报，2005，1936O5FUYUNYI，SHIRONGMICROSTRUCTUREANDMECHANICALBEHAVIOROFAMULTIPHASEAI3TIBASEDINTERMETALLICALLOYLJ,1INTERMETALLICS，2000，891112516WANGTIANGUO王天国INVESTIGATIONOFPREPARATIONOFTIALBASEDALLOYSBYMECHANICALALLOYINGANDHOTPRESSINGSINTERING机械合金化与热压烧结制备TIA1基和金的研究DWUHAN武汉WUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY武汉理工大学，20067ZHANGLP，SHIJ，JINJZFABRICATIONOFAL3TIINTERMETALLICCOMPOUNDVIAMECHANICALALLOYINGANDPSEUDOHIPPROCESSINGLJMATERLETT，1994，2133038CULLITYBNELEMENTSOFXRAYDIFFRACTIONRMMASSACHUSETTSADDISONWELSEY，19699CHENXINLIANG陈新亮STUDYOFMICROSTRUCTUREANDTHERMALSTABILITYOFMECHANICALLYALLOYEDAITIPOWDERS机械合金化A1TI混合粉末的组织和热稳定性研究DTIANJIN天津TIANJINUNIVERSITY天津大学，200410MOHAMMADREZAFARHANG，ALIREZAKAMALIEFFECTSOFMECHANICALALLOYINGONTHECHARACTERISTICSOFANANOCRYSTALLINETI一50ATA1DURINGHOTPRESSINGCONSOLIDATIONJMATERSCIENGB，2010，1681313611NANDIP，CHATTOPADHYAYPPIICROSTRUCTURALASPECTSANDPOSITIONANNIHILATIONSTUDYONSOLIDSTATESYNTHESISOFAMORPHOUSANDNANOCRYSTALLINEA16O一THOSALLOYSPREPARED