定向金屬氮化法制備氧化鎂一氮化鋁復(fù)相材料.pdf

1、耐火材料是高溫工業(yè)的基礎(chǔ)材料，其使用環(huán)境比較苛刻，不僅要求其具有熔點(diǎn)高，強(qiáng)度高，耐侵蝕和抗沖刷性能好，有些部位還需要其具有良好的抗熱震穩(wěn)定性，以適應(yīng)在冷熱交替環(huán)境下的長(zhǎng)期使用。為了提高傳統(tǒng)耐火材料的抗侵蝕和熱震穩(wěn)定性等性能，經(jīng)過近十幾年來的迅速發(fā)展，耐火材料已由單一的氧化物體系逐漸過渡到氧化物、非氧化物復(fù)相材料體系。 氮化鋁作為非氧化物陶瓷的代表，具有熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率系數(shù)高和與鋼水潤(rùn)濕性差等優(yōu)良性能，將其與氧化鎂材料復(fù)合，

2、有望解決堿性耐火材料熱震穩(wěn)定性差的問題。從目前來看，限制氮化鋁在耐火材料中的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化的主要原因依然是其生產(chǎn)成本高，價(jià)格昂貴，且制備的粉末容易水化。因此，研究一種合適的氮化鋁-氧化鎂復(fù)相材料制備方法，降低生產(chǎn)成本和減少水化，成為當(dāng)今耐火材料工作者的主要任務(wù)。定向金屬氮化法是一種工藝簡(jiǎn)單、合成溫度低的復(fù)相材料制備工藝，其將原料的合成、成型和燒結(jié)合并為一，防止了制備過程中氮化鋁的水化，生產(chǎn)成本也大大降低。本文主要探討了定向金屬氮化法制備氮化

3、鋁-氧化鎂復(fù)相材料的反應(yīng)機(jī)理和工藝參數(shù)的影響。 首先采用熱力學(xué)軟件Factsage繪制了不同溫度下Al-Mg-O-N體系的優(yōu)勢(shì)區(qū)域圖和三元相圖，并模擬了反應(yīng)過程中產(chǎn)物物相組成的變化，探討了金屬鎂粉、處理溫度和氣氛狀態(tài)對(duì)定向金屬氮化制備AIN/Al復(fù)相材料的影響。結(jié)果表明，鎂蒸氣的存在、處理溫度的提高和在實(shí)驗(yàn)過程中保持相對(duì)靜止的氮?dú)鈿夥眨欣阡X錠的氮化。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了滿足實(shí)驗(yàn)要求的裝置和實(shí)驗(yàn)方案。 其次采用X射線衍

4、射儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜儀和電子探針，研究了純鋁錠定向金屬氮化過程中，外敷劑金屬鎂粉、處理溫度、保溫時(shí)間等對(duì)產(chǎn)物的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)影響；從熱力學(xué)角度分析并模擬了Mg蒸氣在定向金屬氮化法制備AIN材料中的相轉(zhuǎn)變過程，并按照氣體擴(kuò)散傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)原理，求出了反應(yīng)前沿Mg蒸氣層的厚度關(guān)系式；根據(jù)純鋁錠定向氮化生長(zhǎng)顯微結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)造出氣液固傳質(zhì)模型，建立了反應(yīng)速率與各傳質(zhì)阻力的方程關(guān)系式。結(jié)果表明，金屬鎂粉在整個(gè)反應(yīng)中起著激發(fā)反應(yīng)和

5、深度脫氧作用，熔體表面上方Mg蒸氣層厚度與初始鎂含量成正比，由于反應(yīng)前沿鎂蒸氣的不斷消耗，導(dǎo)致最終試樣內(nèi)部形成AlN-AlN/Al-MgAl<,2>O<,4>/AlN/Al層狀復(fù)合材料。鋁熔體定向氮化的活化能為196.21 kJ/mol，控制鋁熔體氮化速率的主要阻力來自于氮?dú)庠谌垠w表面的化學(xué)吸附過程。而氮化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，導(dǎo)致業(yè)已形成的AlN晶柱內(nèi)部或晶柱之間的毛細(xì)管半徑變小，降低了滲透速率，最終通過毛細(xì)管力傳輸?shù)椒磻?yīng)前沿的鋁熔體消耗殆

6、盡，反應(yīng)中止。 在純鋁錠表面松散涂敷混有鎂粉的鎂砂顆粒預(yù)形體，采用X射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜儀和電子探針，研究了外摻劑金屬鎂粉、處理溫度、保溫時(shí)間和鋁硅合金對(duì)鋁錠在1-0.5mm的鎂砂顆粒(MgO particles，簡(jiǎn)MgOp)松散預(yù)形體內(nèi)部的滲透氮化、物相組成和顯微結(jié)構(gòu)的影響，并運(yùn)用支持向量機(jī)算法對(duì)MgOp/AlN復(fù)相材料的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。研究表明，定向金屬氮化法制備MgOp/AlN復(fù)相材料過程中是一個(gè)

7、先滲透后氮化和滲透同時(shí)進(jìn)行的過程，由于預(yù)形體將鋁熔體分割成無數(shù)個(gè)小鋁池，促進(jìn)了鋁熔體的整體氮化；金屬鎂粉含量增加，促進(jìn)了鋁熔體的滲透和氮化；當(dāng)處理溫度為900℃-1000℃時(shí)，毛細(xì)管力傳輸機(jī)理控制著鋁液的滲透，最終產(chǎn)物基質(zhì)以金屬相為主；而當(dāng)處理溫度為1100-120012時(shí)，材料生長(zhǎng)由毛細(xì)管力傳輸和氮化反應(yīng)所共同控制，基質(zhì)以AlN為主；在鋁熔體中引入單質(zhì)硅，降低了鋁熔體的粘度，提高了氮在鋁熔體中的活度，促進(jìn)了鋁熔體的快速滲透和氮化；而合