高温高压下Fe-Ni-C系中金刚石层状生长的机理探讨

采用以单质金属粉为主要原料的粉末冶金铁基触媒在国产六面顶压机上进行金刚石合成试验。利用扫描电镜(SEM)、场发射扫描电镜(FESEM)和原子力显微镜(AFM)对金刚石/金属包覆膜界面的微观形貌进行了细致表征。结果发现,未得以充分生长的金刚石表面存在宏观的晶体缺陷和明显的层状堆叠形貌;金属包覆膜上也会存在相应的复型和典型的台阶状形貌。充分生长的金刚石单晶表面依然存有大量高十几纳米的阶梯状或锯齿状生长台阶以及明显的位错蚀坑和形状规则的螺旋状生长台阶;金属包覆膜上也发现有阶梯状生长台阶的复型。分析认为,由于高温高压下金刚石晶体在触媒熔体中生长,作为杂质的触媒原子会在金刚石晶体表面造成大量的位错,金刚石依靠位错在晶体表面造成的台阶克服了形成二维晶核所需的较高的过饱和度和能量势垒,以层状堆叠的方式完成长大,即金刚石在高温高压下的生长是一种位错机制主导的层状生长。

高温高压下Fe-Ni-C系合成金刚石单晶的机理研究(上)

从三个方面综合介绍了本课题组近几年来采用Fe-Ni-C系在高温高压下合成优质金刚石单晶的研究成果:1)采用单质金属铁、镍粉和石墨粉以及粉末冶金方法制备出新型铁基触媒,利用六面顶压机合成了高品位的金刚石单晶;2)采用现代分析测试方法对金刚石单晶外的金属包覆膜物相结构进行了系统表征和分析;3)基于固体与分子经验电子理论(EET理论)和托马斯-费米-狄拉克-程开甲理论(TFDC理论)对金刚石合成过程中相关物相(金刚石、石墨、Fe3C((Fe,Ni)3C)和γ-(Fe,Ni)等)的价电子结构进行了计算和论证。实验分析与理论研究结果表明,单质金属粉辅以粉末冶金方法同样可以实现高品位金刚石单晶的合成;金属包覆膜中存在大量的Fe3C、(Fe,Ni)3C类型的金属碳化物和γ-(Fe,Ni)型金属中间相,且γ-(Fe,Ni)与金属碳化物的对应晶面之间存在相互平行的位向关系;金刚石与石墨主要晶面间的平均共价电子密度在一级近似条件下均不连续,而Fe3C与金刚石或Fe3C与γ-(Fe,Ni)之间存在界面电子密度连续性,因此证明Fe3C/金刚石界面能够满足金刚石生长的边界条件。研究结果表明,金刚石单晶生长的碳源并非直接来源于石墨,而来源于在金属中间相的催化作用下,由金属碳化物过渡相中脱溶出的、具有类SP3杂化态的C-C原子团,因此从实验和理论上进一步支持了金刚石合成的"溶剂-催化"理论。

42CrMo钢基体激光熔覆Fe-Ni-C系因瓦合金熔覆层性能研究

激光熔覆过程是快速加热和快速冷却的过程,在熔覆层内部极易产生热应力,形成裂纹缺陷。因瓦效应是因瓦合金独特的低膨胀机理和独特的结构与性能。使用低膨胀合金粉末可显著减少覆层中的裂纹缺陷。采用自行配置的具有因瓦效应的Fe-Ni-C系因瓦合金粉末对42CrMo钢进行激光熔覆,研究了不同工艺参数下熔覆层的质量、微观组织、显微硬度以及摩擦磨损性能。结果表明:采用激光熔覆Fe-Ni-C系因瓦合金粉末,可获得表面平整的无缺陷熔覆层,且基本无裂纹和气孔;通过比较熔覆层与基体之间的摩擦系数,发现熔覆层摩擦系数优于42CrMo钢的。

Fe-Ni-C相图的550,450℃等温截面

用电子探针波谱(WDS)及扫描透射电镜能谱法(EDS)测定了Fe—Ni—C相图的550、450℃等温截面。