定向金属氮化法制备氧化镁—氮化铝复相材料

【摘要】： 耐火材料是高温工业的基础材料,其使用环境比较苛刻,不仅要求其具有熔点高,强度高,耐侵蚀和抗冲刷性能好,有些部位还需要其具有良好的抗热震稳定性,以适应在冷热交替环境下的长期使用。为了提高传统耐火材料的抗侵蚀和热震稳定性等性能,经过近十几年来的迅速发展,耐火材料已由单一的氧化物体系逐渐过渡到氧化物、非氧化物复相材料体系。 氮化铝作为非氧化物陶瓷的代表,具有熔点高、强度高、热导率系数高和与钢水润湿性差等优良性能,将其与氧化镁材料复合,有望解决碱性耐火材料热震稳定性差的问题。从目前来看,限制氮化铝在耐火材料中的应用和转化的主要原因依然是其生产成本高,价格昂贵,且制备的粉末容易水化。因此,研究一种合适的氮化铝-氧化镁复相材料制备方法,降低生产成本和减少水化,成为当今耐火材料工作者的主要任务。定向金属氮化法是一种工艺简单、合成温度低的复相材料制备工艺,其将原料的合成、成型和烧结合并为一,防止了制备过程中氮化铝的水化,生产成本也大大降低。本文主要探讨了定向金属氮化法制备氮化铝-氧化镁复相材料的反应机理和工艺参数的影响。 首先采用热力学软件Factsage绘制了不同温度下Al-Mg-O-N体系的优势区域图和三元相图,并模拟了反应过程中产物物相组成的变化,探讨了金属镁粉、处理温度和气氛状态对定向金属氮化制备AlN/Al复相材料的影响。结果表明,镁蒸气的存在、处理温度的提高和在实验过程中保持相对静止的氮气气氛,有利于铝锭的氮化。在此基础上,设计出了满足实验要求的装置和实验方案。 其次采用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪和电子探针,研究了纯铝锭定向金属氮化过程中,外敷剂金属镁粉、处理温度、保温时间等对产物的物相组成和显微结构影响;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,并按照气体扩散传质动力学原理,求出了反应前沿Mg蒸气层的厚度关系式;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,建立了反应速率与各传质阻力的方程关系式。结果表明,金属镁粉在整个反应中起着激发反应和深度脱氧作用,熔体表面上方Mg蒸气层厚度与初始镁含量成正比,由于反应前沿镁蒸气的不断消耗,导致最终试样内部形成AlN-AlN/Al-MgAl2O4/AlN/Al层状复合材料。铝熔体定向氮化的活化能为196.21 kJ/mol,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。 在纯铝锭表面松散涂敷混有镁粉的镁砂颗粒预形体,采用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪和电子探针,研究了外掺剂金属镁粉、处理温度、保温时间和铝硅合金对铝锭在1-0.5mm的镁砂颗粒(MgO particles,简MgOp)松散预形体内部的渗透氮化、物相组成和显微结构的影响,并运用支持向量机算法对MgOp/AlN复相材料的工艺参数进行优化。研究表明,定向金属氮化法制备MgOp/AlN复相材料过程中是一个先渗透后氮化和渗透同时进行的过程,由于预形体将铝熔体分割成无数个小铝池,促进了铝熔体的整体氮化;金属镁粉含量增加,促进了铝熔体的渗透和氮化;当处理温度为900℃-1000℃时,毛细管力传输机理控制着铝液的渗透,最终产物基质以金属相为主;而当处理温度为1100-1200℃时,材料生长由毛细管力传输和氮化反应所共同控制,基质以AlN为主;在铝熔体中引入单质硅,降低了铝熔体的粘度,提高了氮在铝熔体中的活度,促进了铝熔体的快速渗透和氮化;而合适的工艺条件有利于缓解铝熔体和镁砂颗粒之间的界面反应。支持向量机算法建立了较为准确的质量变化率与工艺参数之间的数学模型,为将来制备致密MgO/AlN复相材料提供新的数据处理方法。