感应加热自蔓延合成NiAl微观结构与性能研究

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金属间化合物NiAl具有熔点高、密度小、导热性能好等一系列独特的性能,引起了科研人员广泛的关注和研究,由于它的抗氧化性能较强,常被应用于金属构件的涂层材料和多功能高温结构材料。  本课题采用电磁感应加热辅助自蔓延高温合成 NiAl金属间化合物。分析了合成 NiAl过程中不同的粉末粒径和电磁感应加热工艺参数对产物微观组织结构和机械性能的影响。实验使用三种不同粒径的Al粉与9μm的Ni粉进行组合,以1:1的摩尔比混合压制成坯。采用高频电磁感应加热技术点火的方式触发粉末压坯进行自蔓延高温合成反应,制备了 NiAl金属间化合物。合成反应过程中采用红外温度监测仪监测样品表面的温度变化,对产物使用了 XRD、SEM、EDS和EBSD等手段表征了合成产物的相组成、微观组织形貌;使用维氏硬度分析技术、纳米压痕技术表征了生成物的维氏硬度、纳米硬度和弹性模量,以评估合成产物的机械性能。  实验结果表明,使用粒径为0.05μm的Al粉的样品在200A的线圈电流加热下,压坯升温至350℃左右不再升高,没有观测到反应,XRD结果证实压坯无反应。当电流增大至300A时发生了燃烧合成反应,在同样加热条件下使用更大粒径(1μm、10μm)的Al粉也可以触发自蔓延反应,且合成产物都为NiAl单相。推测在本实验条件下,当 Al粉粒径过小时,压坯内部颗粒互相之间的接触不连续,阻碍热量传导,而线圈电流太小,会使粉末体系内部的升温的速率降低,使其无法迅速积累足够的热量而发生燃烧反应。  实验中观测到不同工艺参数合成的NiAl化合物晶粒尺寸在40~90μm之间,维氏硬度在250~370HV之间。较大的加载电流促进了体系中液相NiAl的形核过程。当反应之后继续施加电磁场延长了凝固时间,抑制了晶粒的长大,从而改变了晶粒的形态。从而得出结论,原料中 Al粉的粒径越大、加载电流越小、持续加热的时间越长,生成物的晶粒越细小,其力学性能也就越好。经过腐蚀发现沿着晶界分布着具有台阶结构的多面体颗粒,颗粒的尺寸在10~40μm之间,通过纳米压痕结果分析颗粒中心区域的弹性模量的均值比外侧区域要大8%~15%。  在反应之后持续使用感应加热电磁场对产品的晶体取向产生了影响。通过EBSD的结果分析可以在电磁场的持续作用下,样品的测试区域内晶粒取向分布较为均匀,没有明显的织构出现。在没有电磁场的持续作用下,合成产物晶体在(111)面上具有明显织构取向。  本文还尝试讨论了电磁感应加热辅助自蔓延合成 NiAl金属间化合物的反应机制。
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