Fe-Ti(Zr)-C體系燃燒合成與生長行為研究.pdf

1、CS(combustion synthesis)技術(shù)具有產(chǎn)物純度高、操作簡單、省時節(jié)能等優(yōu)點，已廣泛被應(yīng)用于金屬間化合物、復合材料、陶瓷材料等的制備。然而人們對CS合成材料的力學性能及應(yīng)用的研究較多，而對其形成機制和生長行為的研究卻相對有限。因此，本文通過CS技術(shù)合成了TiC、ZrC陶瓷顆粒，并利用差熱分析(DTA)，X射線衍射(XRD)，微區(qū)X射線，場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)，能譜(EDS)及透射電鏡(TEM)等分析手段，研究了原

2、位合成TiC、ZrC的反應(yīng)特征、組織形貌、反應(yīng)過程及生長行為。
　　熱力學計算結(jié)果表明，TiC、ZrC分別為Fe-Ti-C和Fe-Zr-C體系中最穩(wěn)定的相。SHS(Self-propagating high-temperature Synthesis)反應(yīng)制備TiC時，隨著Fe-Ti-C混合粉末中Fe含量的增加，絕熱燃燒溫度、反應(yīng)溫度和燃燒波速降低，合成的TiC顆粒尺寸逐漸減小。通過DTA分析和燃燒波淬熄實驗揭示了Fe-Ti-C體

3、系SHS過程中的反應(yīng)機制。首先，F(xiàn)e和Ti相互擴散發(fā)生固態(tài)反應(yīng)形成FeTi相;當溫度升高到1085℃時，F(xiàn)eTi和Ti發(fā)生反應(yīng)形成Fe-Ti液相，隨后C原子溶解進入Fe-Ti熔體中并與Ti反應(yīng)生成熱力學上更穩(wěn)定的TiC相。TE(Thermalexplosion)較SHS具有更快的反應(yīng)速度和冷卻速度，合成的TiC顆粒更為細小，40wt.％ Fe-Ti-C混合粉末TE產(chǎn)物中殘留少量的Fe2Ti化合物。
　　Fe-Zr-C體系SHS制備

4、ZrC時，隨著體系中Fe含量的增加，絕熱燃燒溫度、反應(yīng)溫度和燃燒波速降低，產(chǎn)物中ZrC的顆粒尺寸明顯減小，直至納米級。體系中Fe含量為30wt.％時，SHS反應(yīng)不完全，少量的Fe2Zr化合物駐留在產(chǎn)物中。DTA分析和燃燒波淬熄實驗表明，ZrC的形成機制主要為反應(yīng)-析出機制。首先，F(xiàn)e與Zr發(fā)生固-固反應(yīng)生成Fe2Zr化合物，F(xiàn)e2Zr形成時所釋放的熱量會促使Fe與C反應(yīng)形成Fe-C液相，隨后Zr溶解進入Fe-C熔體內(nèi)與C反應(yīng)生成ZrC，

5、同時釋放出大量的熱量而導致Fe與Fe2Zr反應(yīng)形成Fe-Zr液相。最后，C擴散溶解進入Fe-Zr液相中并與Zr反應(yīng)生成大量的ZrC顆粒。TE合成時，Zr和C通過固態(tài)反應(yīng)生成ZrC顆粒，由于TE較SHS具有更高的反應(yīng)溫度，合成的ZrC顆粒尺寸略大。
　　當Fe-Ti-C混合粉末中Fe含量為10～30wt.％時，SHS合成的TiC顆粒呈金字塔型層層堆砌形態(tài)，其生長模式為二維形核臺階生長。混合粉末中Fe含量為40wt.％時，高過飽和度與

6、過冷度導致液/固界面由原子尺度光滑向原子尺度粗糙轉(zhuǎn)變，其生長機制轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)生長。C粉顆粒尺寸能影響SHS的反應(yīng)放熱速度和放熱量，從而改變合成產(chǎn)物中TiC顆粒尺寸。TE點火方式合成TiC時，體系中Fe含量的增加能降低TE的反應(yīng)溫度，但不影響TiC的生長機制。
　　SHS點火方式合成ZrC時，0～10wt.％ Fe-Zr-C混合粉末中ZrC以固態(tài)擴散形式長大，一旦Fe含量超過20wt.％，液/固界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樵映叨却植诮缑妫琙rC以