定向金属氮化法制备AlN／Al陶瓷基复合材料研究进展

介绍了氮化铝的结构和性能,并回顾了国内外采用定向金属氮化法制备AlN/Al陶瓷基复合材料的研究成果.详细探讨了合金成分和预形体对AlN/Al陶瓷基复合材料显微结构和生长的影响。指出工艺和显微结构优化、新型复合材料开发是定向金属氮化法制备AlN陶瓷材料的发展方向。

定向金属氮化法制备MgO／AlN复相材料

MgO/AlN复相材料具有良好的抗侵蚀性和热震稳定性,在钢铁工业中具有良好的应用前景。介绍采用纯铝定向金属氮化工艺过程中热力学模拟计算对实验装置设计的指导,概括在氮化过程中镁蒸气的传质行为和铝熔体的气液固传输机理,总结了各种工艺参数如外掺剂镁粉、处理温度、保温时间、合金硅元素和预形体材质等对MgO/AlN复相材料渗透氮化和显微结构的影响,指出制备致密的MgO/AlN复相材料是今后研究的重点。

定向金属氮化纯铝熔体表面Mg蒸气传质行为

从热力学角度分析并模拟了Mg蒸气在定向金属氮化法制备AlN材料中的相转变过程,证实了在高纯氮气气氛下Mg蒸气层的存在。按照气体扩散传质动力学原理,求出了Mg蒸气层的厚度关系式。研究表明:熔液距坩埚上沿距离、反应前沿的氧分压和初始Mg含量均影响着Mg蒸气层厚度。氧分压降低,初始镁含量的增加,Mg蒸气层厚度增加,有利于铝熔液的渗透氮化。

铝熔体定向氮化过程中气液固传输机理探讨

根据纯铝锭定向氮化生长显微结构特征,构造出气液固传质模型,并建立了反应速率与各传质阻力的方程关系式。研究表明:控制铝熔体氮化速率的主要阻力来自于氮气在熔体表面的化学吸附过程。而氮化反应的不断进行,导致业已形成的AlN晶柱内部或晶柱之间的毛细管半径变小,降低了渗透速率,最终导致通过毛细管力传输到反应前沿的铝熔体消耗殆尽,反应中止。

界面反应对铝熔体定向渗透氮化过程的影响

将外形尺寸为15 mm×10 mm的一级工业纯铝锭(w(Al)=99%)6.5 g放入石墨坩埚内,在其四周及底部填充氧化铝粉阻生剂,采用粒度均为1～0.5 mm、固定量均为3 g的电熔镁砂(w(MgO)=95%)、镁铝尖晶石(31.9%MgO,58.1%Al2O3)和电熔刚玉(w(Al2O3)=95%)3种颗粒作为填充剂,分别与占铝锭质量10%的金属Mg粉(w(Mg)=99%)混合后,松散堆积在铝锭表面上,在1 200℃氮气气氛中处理10 h。利用XRD、SEM、EPMA及OM分析了反应后得到复合材料的物相组成和显微结构,研究了定向金属氮化制备氮化铝基复合材料过程中金属铝熔体和填充剂间的界面反应对渗透氮化的影响。结果表明:1 200℃下,镁砂与铝熔体剧烈反应生成大量镁,促进了铝熔体的渗透和氮化过程;镁铝尖晶石与铝熔体反应明显减弱,但生成少量的镁,也在一定程度上有利于渗透和氮化过程;相比之下,刚玉与熔体界面反应消耗了反应体系的镁,影响了铝熔体的渗透,但渗入铝的氮化较为完全,且复合材料结构致密。