自蔓延高温合成TiC-Al的热力学计算与分析
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铝热自蔓延法制备低氧高钛铁合金及表征引言:低氧高钛铁合金在航空航天、能源和汽车工业中具有广泛的应用前景。
铝热自蔓延法是一种常见的制备方法,其具有简单、高效、成本低等优点。
本文将介绍铝热自蔓延法制备低氧高钛铁合金的过程,并对合金的结构和性能进行表征。
一、制备方法:铝热自蔓延法是一种通过铝和钛粉末在高温下反应生成低氧高钛铁合金的方法。
具体步骤如下:1. 准备所需材料:铝粉、钛粉和适量的助熔剂。
2. 将铝粉、钛粉和助熔剂按一定比例混合均匀。
3. 将混合粉末放入预先烧结的模具中。
4. 将模具放入高温炉中,在惰性气氛中加热至适当温度。
5. 在高温下,铝和钛粉末发生反应,生成低氧高钛铁合金。
6. 冷却后,取出合金样品。
二、结构表征:为了了解制备的低氧高钛铁合金的结构特征,可以采用多种表征手段,如X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)。
1. XRD分析:通过X射线衍射仪可以得到合金的晶体结构信息。
低氧高钛铁合金通常具有体心立方(BCC)结构。
通过比对标准XRD图谱,可以确定合金的相组成。
2. SEM观察:使用扫描电子显微镜可以观察合金的表面形貌和微观结构。
合金的微观结构特征对于了解其性能具有重要意义。
三、性能表征:低氧高钛铁合金的性能表征可以从多个方面进行。
1. 机械性能:通过拉伸试验等方法可以测试合金的强度、延伸率和硬度等机械性能参数。
2. 热性能:利用热重分析仪可以测试合金的热稳定性和热膨胀系数等热性能参数。
3. 导电性能:通过四探针法可以测试合金的电阻率,了解其导电性能。
4. 磁性能:使用霍尔效应测量仪可以测试合金的磁性能,如饱和磁感应强度和矫顽力等。
结论:通过铝热自蔓延法可以制备出低氧高钛铁合金,并通过XRD和SEM等手段对其结构和性能进行表征。
合金的结构特征对于理解其性能具有重要意义。
进一步的研究可以通过调控合金的成分和工艺参数,改善合金的性能,并拓展其在各个领域的应用。
第36卷第10期2000年10月仓扁学玫ACTAMETALLURGICASINICAV01.36No.10October2000Al—Ti—c系中TiC形成的热力学与动力学研究张作贵刘相法边秀房(山东工业大学材料科学与工程学院,济南250061)木摘要研究了在用熔体反应法制备Al—Ti—C中间合金过程中TjC形成的热力学与动力学.实验结果表明:在850℃的Al熔体中,石墨颗粒周围的K2TiF6与Al发生剧烈的化学反应放出大量的热,在熔体中形成大量的局部高温微区.在这些高温微区内,熔体中的Ti或TiAl3达到了与C形成TiC的热力学条件,从而在石墨颗粒周围生成大量TiC粒子.根据熔体化学反应的热力学条件,提出了850℃下在Al~Ti—C中间合金中TiC形成的动力学模型.TiC形成的最佳反应时间为3—5min,此时形成的TiC晶核最有效,制备的Al-Ti-C中间合金细化效果最佳.关键词Al—Ti_C中间合金,TiC粒子,热力学,动力学中图法分类号TGl46.2文献标识码A文章编号0412—1961(2000)10—1025一05THERMoDYNAMICSANDKINETICoFFoRMINGTiCINAl—Ti—CSYSTEMZHANGZuogui,LIUXiangfa,BIANXiufangCollegeofMaterialsScienceandEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Jinan250061Correspondent:LIUXiangfa,professor,Tel:(0531)2955081—2319,Fax:(0531)2955999,E-mail:xfliu@dins.sdut.edu.enManuscriptreceived2000-02—28,inrevisedform2000—05—15ABSTRACTThethermodynamicsandthekineticofformingTiCinAl-Ti—Csystemhavebeenstudied.TheexperimentshowsthatabundantheatwasgivenoutthroughthereactionbetweenK2TiF6andA1meltat850℃.whichresultedinlocalhightemperaturezonesaroundgraphiteparticlesinmeltinveryshorttimeandpromotedTiorTiAl3toreactwithCinmeltaccordingtothethermodynamicsreactiveconditionsofformingTiC.therefore.alargenumberofTiCparticleswereformedaroundgraphiteparticles.ThedynamicalmodelofformingTiCat850℃wassetupaccordingtothermodynamicsconditionsandkinetictheoryofmeltchemicalreaction.Theoptimalreactingtimeis3—5min.andtheformedTiCnucleusaremostefficienttotherefininge如ctoftheA卜Ti—Cmasteralloys.KEYWoRDSAl—Ti_Cmasteralloy,TiCparticle,thermodynamics,dynamicTiC具有高硬度、高熔点以及耐磨性能良好等优点,它在各种复合材料中作为强化基体的一种增强相,应用广泛【lJ.另一方面,在A1熔体中生成的TiC颗粒,还可作为Q—Al的非均质形核核心而细化晶粒,这一点已越来越受到人们的重视.自从1949年Cibula吲提出“碳化物、硼化物”形核理论以来,对A1一Ti-C中间合金的研究已有40多年的历史了.由于Al熔体很难润湿碳,因此,如何在其合金熔体中获得具有有效形核作用的TiC晶核,一直是材料工作者难以解决的课题.直至1986年前后,+山东省优秀青年科学家科研奖励基金资助项目9814收到初稿日期:2000—02—28,收到修改稿日期:2000—05—15作者简介:张作贵,男,1974年生,硕士生Banerji和Reif【3,4J提出采用强力搅拌方法合成A1一Ti—C细化剂以后,这一研究才得以进一步发展.至于对在制备Al-Ti—C中间合金过程中TiC的形成过程及生成机理,目前尚未形成统一的认识【5,6|.本文作者根据熔体化学反应热力学的原理,提出了在制备Al—Ti—C中间合金过程中TiC形成的动力学模型,发现低温条件下在Al熔体中可以形成细化a—Al晶粒所需要的TiC晶核.本文旨在为生产中制备出高效且无污染的Al-Ti—C中间合金晶粒细化剂提供理论指导以及技术支持.1实验方法实验用原材料为99.7%的工业纯铝、K2TiF6粉末以及化学纯石墨颗粒.1026金属学报36卷在25kW无芯中频感应炉中用石墨坩埚熔化一定量的工业纯铝,850℃时向纯铝熔体中加入按一定比例预先配制好的K2TiF6和石墨粉(石墨颗粒直径在20pm以下)的混合物,轻微搅拌熔体,3min后反应基本完全,然后放入机械搅拌装置充分搅拌熔体2min,使反应后聚集的TiC颗粒较均匀地分散到熔体中.整个制备过程中要始终控制熔体温度,使其不超过900℃.在不同的反应时间取样,最后将制好的合金液浇到金属型中.分别对不同反应阶段所取的中间合金进行取样,先通过金相观察其组织的大体分布,再用扫描电镜观察其中物相分布形态并分析反应过程,最后用X射线衍射仪对试样进行物相种类测定.细化实验过程如下:在功率为5kW的电阻炉内加热熔化99.7%的工业纯铝,温度升至730℃时,加入0.2%的A1一Ti_C中间合金试样,保温不同时间后,浇入已备好的Cu膜中,在距试样底部1cm处将其锯开,磨光后用王水腐蚀其表面,观察细化后Al晶粒的组织形貌.2实验结果及分析2.1A1-Ti-C中间合金的显微组织分析图1为不同反应阶段的A1_Ti—C中间合金试样的SEM照片.由图1a可以看出:反应初期,在石墨颗粒表面存在着K2TiF6与A1熔体的熔覆层,二者发生反应放出大量热,这些热量在A1熔体中形成大量的局部高温微区,在这些高温微区内C与Ti或TiAl3迅速发生反应,从而在石墨及TiAl3颗粒周围生成大量细小的TiC粒子.由于整个熔体是在850—900℃的较低温度下进行反应的,因此,TiC的反应是在较短时间内完成的,一般为3—5min,超过这一时间,K2TiF6反应完了,则局部高温微区消失,TiC很难在900℃以下低温形成.因此,加入熔体中的石墨颗粒尺寸不能太大(一般在20pm以下),否则石墨颗粒反应不彻底,会残留在合金组织中影响其使用质量.生成的TiC颗粒在熔体的激烈搅拌作用下,较均匀地分布于A1熔体中,如图1b所示.从图中还可以看到,在随后的细化过程中,不但呈块状分布的TiAl3粒子本身起到一定的形核作用,同时部分TiAl3颗粒迅速溶解,更能有效地提高TiC颗粒的形核细化功能.2.2X射线衍射分析图2为A1一Ti—C中间合金的X射线衍射图.由图可知,除了Al基体的强衍射峰外,还有TiAl3与TiC相的衍射峰.该衍射实验采用Cu靶玩射线:与TiC的标准衍射数据对照表明,实验得出的A1-Ti—C中间合金中的TiC的衍射峰值与标准数据有所偏差.TiC为面心立方晶格,晶格常数a--0.43274nm;A1可溶入TiC,甚至形成Ti3AIC.T1’3AIC也是面心立方结构,晶格常数a=0.41560nm.它们在结构上非常相似,故在A1熔体图1A1一Ti—C中间合金的SEM照片Fig.1SEMphotographsofA1一Ti—Cmasteralloys(a)holding2min(b)holding5min中形成TiC,在TiC晶格中会固溶Al原子,而使其点阵常数偏离了标准TiC值.2.3Al—Ti—C中间合金的细化性能在850~900℃温度下熔炼中间合金时,初始氟盐覆盖在Al液表面,待氟盐反应完毕后在Al液表面形成一薄层液态渣,均匀覆盖在合金液表面,使合金液在熔炼过程中基本与大气隔离,因此在该温度下熔炼A1一Ti—C中间合金时吸气少,只有轻微的氧化烧损,收得率较高,适于作细化剂.对该工艺制备的Al_Ti—C中间合金,用99.8%的工10期张作贵等:Al—Ti—C系中TiC形成的热力学与动力学研究1027ooTiAl3OTiCIrIOI...2M.最/l上卫一口一划oL../k.·厂。
自蔓延高温合成技术的原理及应用摘要:自蔓延高温合成技术在材料的合成与制备中应用非常广范,本文主要介绍自蔓延高温合成技术的发展背景和原理,并概述该技术在材料合成与制备中的应用和发展前景。
关键词:自蔓延高温合成;原理;应用、发展前景The principle and application of self-propagatinghigh-temperature synthesis technologyAbstract:It is widely used of self-propagating high-temperature synthesis technology in the synthesis and perparation of materials, this article mainly introduces the background of development and principle of self-propagating high-temperature synthesis technology, and then summarize the application and the prospect in developing in materials synthesis which is used this technology.Key words: self-propagating high-temperature synthesis; principle; application; prospect in developing1.前言自蔓延高温合成技术[1](Self-propagating High-temperature Synthesis ,简称SHS )是前苏联科学家A. G . Merzhanov 于1967年道次提出的一种材料合成新工艺,又称为燃烧合成。
Merzhanov 发现化学反应:mol kJ TiB B Ti /28022+→+具有点火后不需要外界能量就可持续燃烧并从一端向另一端传播,使Ti 与B 的混合物反应生成TiB 2化合物, 从而合成硬质陶瓷TiB 2粉末这种新材料。
采用铝热自蔓延法制备低氧高钛铁合金豆志河;张廷安;张含博;张志琦;牛丽萍;姚永林;赫冀成【摘要】以金红石、钛精矿和Al为原料采用铝热自蔓延法制备出低氧高钛铁合金.研究不同反应体系的相关热力学,考察配铝量对铝热自蔓延熔炼效果的影响,采用XRD,SEM以及化学分析等技术对高钛铁合金进行表征.研究结果表明:反应体系的绝热温度大于l 800K,反应能自我维持进行;铝还原TiO2反应的单位质量热效应较低,铝还原铁氧化物反应的单位质量热效应较高;合金主要由TiFe2,Fe,TiO2和Al2O3等相组成,氧化物夹杂相的存在是合金中氧含量高以及合金微观缺陷存在的直接原因;合金中氧含量最低为2.62%;钛、铝、铁和硅质量分数分别为61.58~66.27%,4.05%~9.20%,16.15%~20.53%及2.78%~3.82%.%Rutile, ilmenite and Al powder were used to prepare high titanium ferrous alloy by thermit reduction-SHS(seli -propagating high-temperature synthesis). The thermodynamic of the relative reaction systems was studied, and the effects of the proportion of Al on the thermit reduction-SHS melting process were investigated. The high titanium ferrous alloys were characterized by XRD, SEM and chemical compositions analysis technologies. The results indicate that the adiabatic temperatures of all reaction systems are higher than 1 800 K, so that all the reactions can keep on carrying on by themselves. The unit reaction heat is low when Al reduces TiO2, but the unit reaction heat is higher when Al reduces iron oxides. The high titanium ferrous alloys mainly consist of TiFe2, Fe, TiO2 and Al2O3. The oxide inclusions exist in the alloy, which directly results in the high oxygen content and micro-structural defects in the atloys. Thelowest oxygen content is 2.62% in the alloy, and the contents of titanium, aluminum, ferrous and silicon in the alloy are 61.58-66.27%, 4.05%~9.20%, 16.15%~20.53% and 2.78%~3.82%, respectively.【期刊名称】《中南大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2012(043)006【总页数】6页(P2108-2113)【关键词】铝热自蔓延;低氧高钛铁;绝热温度;单位质量热效应;夹杂物【作者】豆志河;张廷安;张含博;张志琦;牛丽萍;姚永林;赫冀成【作者单位】东北大学多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室,辽宁沈阳,110004;东北大学多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室,辽宁沈阳,110004;东北大学多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室,辽宁沈阳,110004;东北大学多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室,辽宁沈阳,110004;东北大学多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室,辽宁沈阳,110004;东北大学多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室,辽宁沈阳,110004;东北大学多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室,辽宁沈阳,110004【正文语种】中文【中图分类】O665.2高钛铁(含钛量65%~75%,质量分数,下同)合金具有熔点低、钛含量高[1]等优点,是冶炼高温合金和优质不锈钢不可缺少的材料。
摘要Ti-Al合金是一类倍受人们关注的重要材料,由于它具有优异的物理性能,因此它在航空航天、汽车制造等领域有着广泛而重要的应用。
在Ti-Al合金的设计和应用中,往往需要对其有关力热性能和电子结构有较深入的了解和掌握,因此“Ti-Al金属间化合物的力热性能及其能带计算”论文具有重要的理论意义与价值。
本文针对Ti-Al合金中的TiAl、TiAl2、TiAl3、Ti3Al金属间化合物的有关力热性能和能带,采用基于密度泛函理论的第一性原理以及Materials Studio软件中的CASTEP软件包进行了理论计算。
在计算过程中,首先利用广义梯度近似(GGA)中的PBE方法,对晶体的结构进行了几何优化,得出了平衡晶格常数。
在此基础上,利用生成热和结合能相应的公式,计算得到了四种金属间化合物的生成热、结合能的具体数值。
利用广义梯度近似(GGA)中的PW91方法对Ti-Al合金的各个相的弹性系数进行计算。
以及对电子能带和电子态密度曲线进行了计算,并对计算结果进行了理论分析。
计算结果表明:在上述四种金属间化合物中,由生成热、结合能的计算结果比较得出,在Ti-Al合金的四个相中Ti3Al的合金化形成能力最强,而且结构也最稳定,通过对弹性系数的计算结果分析得出四种相的各种弹性系数,其中Ti3Al相呈韧性,且抗变形能力最强,刚性也最强,体现出良好的综合力学性能。
通过能带、态密度的计算与分析得出,上述四种合金都属于金属性材料,但是TiA13相的金属性较其另三种材料弱一些。
其结果与其他学者实验及理论研究的结果基本相符。
本文的计算结果为相关的理论及应用研究提供了有益的参考。
关键词:Ti-Al合金,密度泛函理论,第一性原理,热力性能,电子结构AbstractTi-Al alloy is one of the most important materials,which has been widely used because of its excellent physical properties.In the design and application of Ti-Al alloy, often need to have a deeper understanding and mastery of the relevant mechanical and thermal properties and electronic structure,Therefore,the paper has important theoretical significance and value in the calculation on mechanical and thermal propertiesand energy band of intermetallic compounds in Ti-Al.The mechanical and thermal properties and energy band of the intermetallic compounds TiAl,TiAl2,TiAl3and Ti3Al in the Ti-Al alloys were theoretically calculated based on density functional theory(DFT)and first principles,using the software package of CASTEP of Materials Studio.In the process of calculation,firstly,the crystal structure of GGA is optimized by using the PBE method in the generalized gradient approximation. On this basis,the formation enthalpy and cohesive energy of four kinds of intermetallic compounds were calculated by using the corresponding formulas of heat and energy.The elastic coefficient of each phase of Ti-Al alloy was calculated by the PW91method in the generalized gradient approximation(GGA).The electron energy band and electron state density curves are calculated,and the results are theoretically analyzed.The calculation results show that the compounds in the four kinds of metal,the heat of formation,the binding energy calculation results shows that the formation of the strongest in the four phase of Ti-Al alloy Ti3Al alloy,and the structure is the most stable,through the calculation of the elastic coefficient of the four phase of the analysis of various elastic coefficient.The Ti3Al phase is toughness,and anti deformation ability is the strongest, rigidity is also the strongest,shows good mechanical properties.Through the calculation and analysis of the energy band and the density of States,the above four kinds of alloys belong to metallic materials,but the metallicity of TiA13is weaker than that of the other three materials.These results are consistent with the conclusions given by other criteria.The results of this paper provide a useful reference for the relevant theoretical and applied research.Key words:Ti-Al alloy,density functional theory,first principle,thermal performance,electronic structure目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1钛铝合金的特点和研究现状 (1)1.1.1钛、铝的基本特点 (1)1.1.2钛合金的基本特点 (3)1.1.3钛铝合金的结构及分类 (4)1.1.4Ti-Al合金的研究与发现 (4)1.2Ti-Al合金的应用前景 (5)1.3本课题目的、意义与工作设想 (7)1.3.1本课题目的 (7)1.3.2选题意义 (7)1.3.3工作设想及目标 (8)第2章密度泛函理论及Materials Studio软件 (9)2.1多粒子体系的Schrdinger方程 (9)2.2玻恩-奥本海默近似 (10)2.3哈特利-福克近似 (10)2.4密度泛函理论 (12)2.4.1霍亨伯格—孔恩定理 (12)2.4.2孔恩-沈吕九方程 (13)2.5局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA) (13)2.5.1局域密度近似(LDA) (13)2.5.2广义梯度近似(GGA) (14)2.6常用赝势 (15)2.7第一性原理 (15)2.8Materials Studio计算软件 (15)第3章Ti-Al合金的力热性能的计算 (18)3.1计算方法 (18)3.2计算模型 (19)3.3力热性能计算结果与分析 (21)3.3.1平衡晶格常数 (21)3.3.2生成热与结合能 (22)3.3.3弹性性质计算结果与分析 (23)3.4小结 (24)第4章Ti-Al合金的电子结构的计算 (25)4.1TiAl合金的电子结构计算及其分析 (25)4.2TiAl2合金的电子结构计算及其分析 (27)4.3TiAl3合金的电子结构计算及其分析 (29)4.4Ti3Al合金的电子结构计算及其分析 (31)4.5小结 (33)第5章结论 (35)参考文献 (36)在学研究成果 (39)致谢 (40)第1章绪论1.1钛铝合金的特点和研究现状1.1.1钛、铝的基本特点钛作为一种重要的结构金属在上世纪五十年代得到了大力发展,钛合金因为具有耐高温、耐腐蚀性强、强度高等优异的物理性能,从而被许多国家广泛研究与应用。