徐成义同学在《Intermetallics》上发表论文“Pore formation mechanism and oxidation resistance of porous CoAl3 intermetallic prepared by rapid thermal explosion”
多孔Al基金属间化合物由于结合了Al-Tm(Tm=过渡金属)合金和多孔材料的共同优点,如良好的耐高温腐蚀性、低密度和高开孔率,已引起越来越多的关注。目前,多孔Al基金属间化合物的研究主要集中在Ti-Al、Fe-Al和Ni-Al三个体系上。然而,多孔Ti-Al、Fe-Al和Ni-Al金属间化合物的应用主要集中在过滤和隔音等物理性能上,在催化领域的研究很少。而富Al的Al-Co合金由于其准晶结构,在准晶表面具有良好的附着力和较低的摩擦系数,因此在加氢催化中具有更大的应用前景。
值得注意的是,Co-Al整体合金的制备方法包括铸造和电弧熔炼,这需要反复熔炼以确保成分均匀。这意味着制备过程更加能耗和耗时。此外,通过铸造和电弧熔炼制备的Co-Al整体合金具有复杂的多相结构,这不利于高温稳定性。燃烧合成(CS)为Co-Al体系的研究和新的应用前景提供了另一种推动力。CS是一种用途广泛、成本低且节能的方法,用于生产难熔化合物(碳化物、硼化物、氮化物、金属间化合物、复合氧化物等)和具有细晶粒结构和优异性能的高级复合材料。TE反应是CS法的一种模式,当整个样品加热到点火温度时,反应在整个反应物混合物中同时发生。它不仅具有节省时间和能源的优点,而且由于反应在整个反应物混合物中同时发生,因此反应更加均匀和可控。此外,通过TE方法制备的多孔材料具有高孔隙率和良好的渗透性,这在催化领域比整体结构具有更大的优势。以往的研究大多集中在致密Al-Co合金的耐腐蚀性方面,而对多孔Al-Co材料的研究较少。与整体合金不同,孔隙率、孔形态和分布对材料的结构有影响,从而影响多孔材料的性能。因此,为了更好地应用多孔Al-Co,有必要研究多孔Al-Co材料的耐腐蚀性能。
鉴于富Al的CoAl3合金具有优良的耐腐蚀性能,本研究的目的是通过简单的TE反应制备多孔CoAl3金属间化合物。研究了反应机理,以控制形状尺寸、微观结构和孔隙率。此外,还研究了多孔CoAl3的抗氧化性。本研究旨在提供一种实用的方法来制备多孔CoAl3,并通过提出的反应机理来调节样品的孔隙结构。相关研究结果以题为“Pore formation mechanism and oxidation resistance of porous CoAl3 intermetallic prepared by rapid thermal explosion”发表在Intermetallics。
Co-75at.%Al压坯在烧结过程中存在两个明显的放热峰,放热行为的出现与相变密切相关。616 °C峰处的低放热强度对应于缓慢的固态扩散反应。646 °C峰处的高放热强度对应于剧烈的化学反应——TE反应。
图1 在加热速率为10 ℃ min-1时,Co-75at.%Al的TE特性:(a)温度-时间曲线,(b)DSC曲线。
TE后多孔CoAl3材料主要由骨架、骨架之间的大孔和骨架中的小孔组成。而骨架之间的大孔是相互连接的,形成了开放的孔隙结构,这是样品开放孔隙率的主要来源。大孔的尺寸在40-68μm之间,接近于铝粉的直径范围,进一步说明大孔来源于铝颗粒的原位孔。骨架中直径约为2-3 μm的小孔多为封闭孔,可能源于骨架颗粒之间形成的烧结颈部组成的间隙孔。此外,可以发现,随着烧结温度的提高,产品骨架趋于致密。在700℃时,骨架呈现出明显的颗粒性,这是由单个颗粒堆积形成的;当温度上升到800℃时,颗粒性降低,骨架趋于整体化,这是由于Co-Al的高温致密化过程。致密化的出现消除了原有的颗粒边界,提高了材料的密度和冶金结合强度,有利于材料性能的大幅度提高。
图2 TE后Co-75at.%Al的断裂形态:(a)700℃时的低倍率SEM,(b)700℃时的放大图像,(c)800℃时的低倍率SEM,(d)800℃时的放大图像,(e)900℃时的低倍率SEM,(f)900℃时的放大图像。
图3为多孔CoAl3金属间的孔隙形成过程示意图,说明了烧结过程中Co-75at.%Al密炼的孔隙形成机制,如下所示:
图3 多孔CoAl3金属间的孔隙形成过程示意图。
在700℃的氧化条件下,CoAl3与Co2Al9相比表现出更好的抗氧化性,表面形成了连续的氧化膜(以Al2O3为主),以阻断内部金属离子与外部氧离子的相互作用。
图4 (a) XRD图案显示了氧化后的相变,(b) 氧化反应的吉布斯自由能。
全文链接:https://doi.org/10.1016/j.intermet.2022.107592
DOI:10.1016/j.intermet.2022.107592
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