直流電弧法制備高純納米NI3AL粉體摘要為了獲得高純納米NI3AL粉體，本文擬采用直流電弧等離子蒸發(fā)法，通過改變其電流、總壓及氫氬比PH2/PAR來研制。通過X射線衍射法XRD對(duì)試樣的組成及晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用X射線熒光分析XRF對(duì)試樣的化學(xué)元素組成進(jìn)行分析，結(jié)合試樣透射電鏡TEM圖像對(duì)其形貌及尺寸進(jìn)行表征。研究結(jié)果表明在電流為350400A，總壓005MPA，氫氬比12時(shí)，能夠獲得純度高、顆粒尺寸小、形貌規(guī)整的納米球狀NI3AL粉體。關(guān)鍵詞納米NI3AL粉體；直流電弧等離子體蒸發(fā)法；XRD；PREPARATIONOFHIGHPURITYNANONI3ALPOWDERTHROUGHDCARCPLASMAEVAPORATIONMETHODABSTRACTINORDERTOOBTAINNANONI3ALPOWDERWITHHIGHPURITY,ITWASPREPAREDBYDIRECTCURRENTDCARCPLASMAEVAPORATIONMETHODTHROUGHCHANGINGTHEVALUESOFCURRENT,TOTALPRESSUREANDTHEPRESSURERATIOOFHYDROGENTOARGONPH2/PARTHEPHASECONSTITUTIONANDCRYSTALLINESTRUCTUREOFTHESAMPLESWEREINVESTIGATEDBYXRAYDIFFRACTIONXRD,CHEMICALCOMPOSITIONWASCHARACTERIZEDBYXRAYFLUORESCENCEANALYSISXRF,MORPHOLOGYANDPARTICLESIZEDISTRIBUTIONWERECHARACTERIZEDBYTRANSMISSIONELECTRONMICROSCOPYTEMTHERESULTSSHOWEDTHATREGULARSPHERICALANDHIGHPURITYNANONI3ALPOWDERCANBEOBTAINEDWITH350400ACURRENTINTENSITY,005MPATOTALPRESSUREAND12PRESSURERATIOOFHYDROGENTOARGONPH2/PARKEYWORDSNANONI3ALPOWDERDCARCPLASMAEVAPORATIONMETHODXRD；1、前言金屬間化合物NI3AL，不僅含有由NI原子3D能級(jí)電子共有形成的金屬鍵，還包含NI原子3D能級(jí)電子和AL原子3P能級(jí)電子形成的定向共價(jià)鍵，因而具有室溫下的高硬、高強(qiáng)和優(yōu)異的耐腐蝕性能和具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和高溫蠕變抗力1，微量B的添加能有效改善多晶NI3AL晶界脆性，從而提高NI3AL塑性及延展性2。此外，納米NI3AL粉體的表面效應(yīng)能夠有效降低相應(yīng)合金燒結(jié)的溫度3。目前，NI3AL材料已被廣泛的應(yīng)用于高性能汽車渦輪增壓器、燃?xì)廨啓C(jī)部件、熱處理爐部件、硬質(zhì)合金和航空飛行器部件等4。其中高純度納米NI3AL粉體的合成是其關(guān)鍵技術(shù)之一。目前研究人員對(duì)NI3AL粉體的制備投入了大量的研究，MHENAYATI研究了球磨條件對(duì)機(jī)械合金化法制備金屬間化合物NI3AL粉體的影響5。SKPRADHAN通過X射線衍射法研究了球磨法制備NI3AL中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)6。然而目前對(duì)于高純納米NI3AL粉體的研究較少，尤其是采用直流電弧等離子體蒸發(fā)法。目前，高純度、粒徑分布范圍較窄的球形納米NI7和FE3AL8已經(jīng)通過直流電弧等離子體蒸發(fā)法成功制備出來。故本文擬采用直流電弧法，通過改變其電流、總壓及氫氬比PH2/PAR來制備高純納米NI3AL粉體。最后對(duì)直流電弧法制備高純納米NI3AL粉體作出展望。2、實(shí)驗(yàn)1、制粉室2、電弧槍陰極3、水冷系統(tǒng)4、旋風(fēng)系統(tǒng)5、顆粒分級(jí)室6、高真空系統(tǒng)7、真空包裝室8、收粉室圖1高真空納米金屬粉生產(chǎn)設(shè)備圖1為制備NI3AL粉體用直流電弧等離子蒸發(fā)設(shè)備。該設(shè)備主要利用引燃陰、陽(yáng)極電弧產(chǎn)生的高溫使得金屬迅速熔化并蒸發(fā)，在冷凝的過程中金屬蒸汽經(jīng)歷成核及長(zhǎng)大過程，最終形成納米金屬粉。其中蒸發(fā)過程主要影響粉體的產(chǎn)量，冷凝過程則決定了粉體的最終晶粒尺寸9。實(shí)驗(yàn)中鎳塊純度大于999WT，鋁塊純度大于99996WT，其中考慮到鋁的燒蝕及搶先蒸發(fā)現(xiàn)象故鎳鋁摩爾比NNI/NAL采用746254。粉體表征采用ARLXTRA型X射線衍射儀、ZETASIZER3000粒度分析儀、TECNAI20透射電子顯微鏡及EDX8300型X射線熒光分析儀。表1四組試驗(yàn)工藝參數(shù)試樣編號(hào)電流A充氣總壓MPAH2/AR13500051/123500051/234000051/244000041/2實(shí)驗(yàn)開始階段將設(shè)備抽真空至3103PA，充入002MPA的AR氣，通電后鎢電極槍形成的直流電弧會(huì)使金屬NI、AL塊快速熔化。但因?yàn)镹I、AL、NI3AL的熔點(diǎn)分別為14530、660、1395，考慮到可能由于設(shè)定電流過大導(dǎo)致電弧溫度過高，使得熔點(diǎn)及沸點(diǎn)相對(duì)較低的AL元素存在搶先蒸發(fā)現(xiàn)象，故熔煉開始時(shí)通過緩慢增加電流的方式確定金屬開始熔化時(shí)的電流值，試驗(yàn)中當(dāng)電流達(dá)到250A時(shí)，金屬塊體能夠全部熔化，此時(shí)金屬液上方會(huì)形成一層致密的氧化膜原料氧化膜去除不徹底及設(shè)備中還存在極少量氧氣所致，該氧化膜的存在會(huì)進(jìn)一步阻止元素的搶先蒸發(fā)。最后在電流不變的情況下保溫15MIN，確保NI、AL原子達(dá)到混合均勻的目的。圖2NIAL合金的二元相圖圖2為NIAL合金的二元相圖10。根據(jù)圖2中NIAL二元相圖，在停弧之后混合金屬液進(jìn)入降溫過程，在降至1390左右時(shí)，金屬液相L與降溫過程中最先生成的NIAL相通過包晶反應(yīng)生成NI3AL塊體原料。停弧冷卻15MIN后，充入表1所設(shè)定的H2量，引弧后通過晃動(dòng)弧槍使得坩堝中的塊體NI3AL原料快速熔化，將電流值調(diào)節(jié)至表1的工藝參數(shù)，此時(shí)前級(jí)制粉室內(nèi)部會(huì)形成一定的溫度梯度，受高溫蒸發(fā)出的蒸汽在快速降溫過程中首先在顆粒成核區(qū)形成NI3AL晶核，后在氣流的作用下快速擴(kuò)散至晶粒長(zhǎng)大區(qū)，最后在前級(jí)制粉室及收粉室獲得NI3AL粉體。3、結(jié)果與討論31結(jié)果分析10305070901020201013242/O強(qiáng)度/S1圖3表1中四組工藝參數(shù)所制得試樣的XRD圖譜圖3為表1四組工藝參數(shù)所得試樣的XRD圖譜?？梢姡慕M工藝參數(shù)均能制備出含有NI3AL相的粉體，但試樣2、3中NI3AL相的特征衍射峰強(qiáng)度明顯高于試樣1、4中的NI3AL相。通過X射線熒光衍射XRF對(duì)四個(gè)試樣的各元素含量進(jìn)行測(cè)試，分析發(fā)現(xiàn)四個(gè)試樣的NI、AL摩爾比如表2所示，可見試樣2、3中NI、AL元素摩爾比與NI3AL中的理論值3相近，又根據(jù)圖2可知NI3AL低溫具有一定的成分范圍，NI原子含量在739755之間10，結(jié)合圖3中試樣2、3較強(qiáng)的特征衍射峰，總結(jié)得出工藝2、3可成功制備出完全NI3AL粉體。圖3中試樣2在2480，3534，4368，5082，7474的特征衍射峰分別對(duì)應(yīng)NI3AL面心立方晶系的100，110，111，200，220面，根據(jù)試樣2的XRD譜圖通過SCHERRER公式11計(jì)算得到其晶粒尺寸為217NM，晶胞參數(shù)ABC35949NM，將其與標(biāo)準(zhǔn)卡片中ABC35720NM650712對(duì)比發(fā)現(xiàn)，晶胞參數(shù)在三個(gè)方向上擴(kuò)大了0641。表2表1中四組試樣的產(chǎn)率及其NI、AL摩爾比試樣編號(hào)1234產(chǎn)率G/H7738141744393625NIALMOL261301307253對(duì)比表2中試樣2、3的產(chǎn)率可以發(fā)現(xiàn)，試樣3的產(chǎn)量明顯高于試樣2。根據(jù)直流電弧放出的能量方程及CLAUSIUSCLAPEYRON方程121QEI21LGLGPVATBCTD式1中E為電場(chǎng)強(qiáng)度，I為設(shè)定電流值，Q為電弧釋放的熱量，式2中，PV為金屬蒸氣壓，T為試樣溫度，A、B、C、D為常數(shù)項(xiàng)。由上式可知在低真空總壓相同的條件下，電流I越大，電弧釋放的熱量Q越高，則溫度T越高，金屬蒸氣壓PV越大，則其蒸發(fā)速率越大，使得單位時(shí)間內(nèi)試樣3的產(chǎn)量較大。圖3中雖然試樣1、4的特征衍射峰與NI3AL完全吻合，但特征衍射峰相對(duì)試樣2、3均較弱，且表3中試樣1、4的NI、AL摩爾比與理論值3相差較大，AL原子含量明顯偏高，故工藝1、4無法得到較為純凈的NI3AL試樣。此外，在試樣1、4的XRD譜線中也沒有觀察到過量AL原子的特征衍射峰，故可以得出過量AL原子是通過間隙固溶的方式固溶至NI3AL晶格中。對(duì)比工藝1、2也可發(fā)現(xiàn)，工藝1中H2的含量較高，制備粉體的過程中，H2在高溫等離子電弧的作用下被解離成氫離子13，在高溫條件下可大量溶入熔融金屬液中并伴隨迅速降溫，在金屬液中重新形成氫分子，當(dāng)氫分子濃度達(dá)到過飽和度時(shí)，大量金屬蒸氣會(huì)伴隨氫氣氣泡溢出，故氫氣的存在很大程度上提高了粉體產(chǎn)量16，該結(jié)論也可從工藝1、2產(chǎn)量的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)。但該過程中金屬液表面氫離子結(jié)合時(shí)放出的熱量，在一定程度上提高了金屬液表面的溫度，工藝1較大的H2含量加大了AL相對(duì)于NI的飽和蒸氣壓及蒸發(fā)速率差值，產(chǎn)生的過量AL原子在高溫條件下具有足夠的驅(qū)動(dòng)力固溶至NI3AL晶粒中，導(dǎo)致最終所得NI3AL純度較低。對(duì)比工藝3、4可以發(fā)現(xiàn)，工藝4的總壓偏小，其NI、AL摩爾比與3差別較大，工藝4可能由于其總壓偏小導(dǎo)致金屬液面上方的氬氣分子較少，金屬蒸氣液面受阻擋作用較小，相同條件下蒸發(fā)速率較高的AL原子會(huì)迅速離開液面，其與NI原子蒸氣形成NI3AL晶核的過程受到部分影響，使得最后所得試樣的NI、AL摩爾比與理論值3差別較大。AB圖4試樣2的TEM圖及電子衍射圖AB圖5試樣3的TEM圖及電子衍射圖圖4、5分別為試樣2、3的透射電鏡圖及相應(yīng)選區(qū)電子衍射花樣圖。由圖4、5可見粉體呈規(guī)整的球狀顆粒分布，顆粒尺寸分布在10150NM之間，其中大部分小尺寸顆粒由于納米顆粒的高表面能呈團(tuán)聚狀分布，通過SIMPLEPCI軟件COMPIXPRESENTATIONCOLTD,US分析試樣2、3的平均顆粒尺寸分別為523NM、731NM。實(shí)驗(yàn)過程中金屬蒸汽內(nèi)的NI、AL原子在冷凝過程中通過原子間作用力形成含有金屬鍵及部分定向共價(jià)鍵的NI3AL晶核，后在溫度梯度的作用之下進(jìn)入長(zhǎng)大階段，在制粉的初始階段顆粒粒徑分布較為均一，但隨著時(shí)間的增加，在制粉室內(nèi)溫度逐漸升高，溫度梯度減緩，制粉室內(nèi)晶粒成核及長(zhǎng)大區(qū)擴(kuò)大，一方面使得新的顆粒成核較為困難，另一方面成核區(qū)的擴(kuò)大使得已經(jīng)成核的晶粒發(fā)生異常長(zhǎng)大，在?；『鬁囟润E降使得大量金屬蒸汽瞬間冷卻成核，而晶核長(zhǎng)大過程受到嚴(yán)重抑制，形成顆粒尺寸較小的粉體，這可能是導(dǎo)致圖中顆粒尺寸分布在10150NM不等的主要原因。由圖4、5中的選區(qū)電子衍射花樣圖呈一系列明暗相間的同心圓環(huán)分布，表明所得NI3AL試樣為結(jié)晶度較好的多晶材料。4、結(jié)論采用本文制備設(shè)備，在電流為350400A，總壓005MPA，氫氬比12時(shí)，能夠獲得純度高、顆粒尺寸小、形貌規(guī)整的納米球狀NI3AL粉體。電流為350A和400A時(shí)獲得的NI3AL粉體平均粒徑分別為523NM、731NM。5、發(fā)展前景直流電弧法是一種有效的納米粉體材料的合成方法，不但可以合成金屬納米粉，也可以合成金屬一陶瓷納米粉、陶瓷納米粉和碳納米管15。其優(yōu)點(diǎn)是使用設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作，并且粉體合成速度快、純度高、種類多、活性強(qiáng)，適合于工業(yè)化批量生產(chǎn)。其制備的粉體在超高溫蒸發(fā)與驟冷這兩個(gè)極端參數(shù)下,具有粒度小、呈單一球形、粒徑分布區(qū)間窄、表面光潔的特點(diǎn)。而NI3AL金屬間化合物具有較高的高溫強(qiáng)度、蠕變抗力和高的比強(qiáng)度，且屈服強(qiáng)度在峰值溫度以下具有正溫度效應(yīng)，但它也存在金屬間化合物共有的低溫脆性問題，影響其在工程上的應(yīng)用。但是，NI3AL金屬間化合物具有良好的機(jī)械、化學(xué)和物理性能，例如強(qiáng)度隨溫度的升高而增大，具有良好的抗疲勞能力等，是一種潛在的高溫結(jié)構(gòu)材料17。NI3AL金屬間化合物的研究與應(yīng)用進(jìn)展十分迅速，經(jīng)過幾十年的努力，NI3AL在成份、制備工藝、性能等方面的研究都取得了較大的進(jìn)展，已開發(fā)出一系列NI3AL基合金新材料，在耐高溫、耐磨損、防腐蝕材料等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，大大減少了我國(guó)戰(zhàn)略資源的消耗。隨著對(duì)NI3AL研究的不斷深入和新材料的不斷開發(fā)，NI3AL金屬間化合物作為高溫結(jié)構(gòu)材料和功能材料的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。所以采用直流電弧法，通過改變其電流、總壓及氫氬比PH2/PAR來制備高純納米NI3AL粉體在工程上會(huì)有更多的應(yīng)用和更廣闊的前景。參考文獻(xiàn)1AANTOLAKDUDKA,MKRASNOWSKI,TKULIKJ,NANOCRYSTALLINENI3ALALLOYPRODUCEDBYMECHANICALALLOYINGOFNICKELALUMINIDESANDHOTPRESSINGCONSOLIDATION,ALLOYCOMPD42201341442JTGUO,EFFECTSOFSEVERALMINORELEMENTSONSUPERALLOYSANDTHEIRMECHANISM,CHINJNONFERROUSMET2120114654753JMALCHARCZIKOVA,FCHMELIK,JPESICKA,NONALLOYEDNI3ALBASEDALLOYSPREPARATIONANDEVALUATIONOFMECHANICALPROPERTIES,METALLMETALLENG5220133093124XQLI,JCHEN,PREPARATIONANDMECHANICALPROPERTIESOFWC10NI3ALCEMENTEDCARBIDESWITHPLATELIKETRIANGULARPRISMATICWCGRAINS,ALLOYCOMPD54420121341405MHENAYATI,ZSADEGHIAN,MSALEHI,THEEFFECTOFMILLINGPARAMETERSONTHESYNTHESISOFNI3ALINTERMETALLICCOMPOUNDBYMECHANICALALLOYING,MATERSCIENG37520048098116SKPRADHAN,SKSHEE,ACHANDA,XRAYSTUDIESONTHEKINETICSOFMICROSTRUCTURALEVOLUTIONOFNI3ALSYNTHESIZEDBYBALLMILLINGELEMENTALPOWDERS,MATERCHEMPHYS6820011661747ZQWEI,XLWEN,JWANG,PREPARATIONOFNINANOPOWDERSBYANODICARCPLASMA,CHINJNONFERROUSMET132003113611408CCHAO,ZLCUI,YSYIN,PREPARATIONANDMECHANICALPROPERT