多孔Al基金属间化合物（Fe-Al、Cu-Al、Co-Al、Ni-Al）具有高孔隙率、稳定的孔结构、优异的高温耐蚀性和抗氧化性，在过滤、净化、流量控制等领域具有广阔的应用前景。尤其是多孔NiAl化合物，由于其优异的导热性、抗氧化性和可焊性，已成为研究热点。升温速率作为制备多孔NiAl的一种重要的工艺参数，其对于多孔NiAl结构和性能等方面的影响仍处于探索中。

热爆法是通过将样品均匀地进行加热, 在达到点火温度后在几秒到几十秒内瞬间在整体样品中发生反应, 可以减少由于受热不均而产生的产物开裂变形等现象，具有省时节能，操作简便等优势。到目前为止，已经通过TE方法获得了各种多孔金属间化合物（Co-Al、Fe-Al、Ni-Al、Ti-Al和Ti-Si）。然而，对于热爆法制备多孔NiAl的研究仍处于不断探索的阶段，并且有必要讨论多孔NiAl金属间化合物的高温抗氧化机理。

该工作采用热爆反应法制备了高孔隙率NiAl金属间化合物。重点使用X射线三维显微镜(3D-XRM)对不同升温速率下产物的相组成，孔隙结构以及渗流特性进行细致的表征。之后在在900°C的空气中进行了长达120小时的氧化腐蚀试验。结果表明，高升温速率下(20 ℃ min^-1)能够获得抗氧化性能最佳的产物，而10 ℃ min^-1下能够获得最高孔隙率的产物，可以达到57.31%。相关研究结果以题为“Effect of the heating rate on the thermal explosion behavior and oxidation resistance of 3D-structure porous NiAl intermetallic”发表在Materials Characterization (JCR Q1，IF= 4.342)上。

通过射线源所发射的X射线，穿透过旋转的样品后，在接收器上获得不同角度下的切片图像，后通过三维重构软件来表征分析多孔NiAl金属间化合物。

图1. 3D-XRM数据采集和三维重建过程

3D-XRM结果表明，不同升温速率下的产物均具有三维多孔形貌，其中升温速率下能够获得产物组成均一的产物，但是会在产物边缘出现熔化变形现象。

图2. 加热方式对多孔NiAl相分布和孔隙特性的影响：(a) 三种加热方式的切片图。(b) 图(a)中的部分图像。(c) 三种加热方式下多孔NiAl的三维形貌。

       图3-5在3D角度分别计算了不同升温速率下多孔NiAl总孔隙率，闭孔孔隙率以及未反应Ni部分分布。

图3. TE反应后多孔NiAl的阈值分割结果：(a) 不同加热方式下多孔NiAl中孔隙的分布。(b) 在垂直于Z方向的XY切片上测量多孔NiAl的总孔隙度

图4. TE反应后多孔NiAl的阈值分割结果：(a) 不同加热方式下多孔NiAl中闭孔的分布。(b) 在垂直于Z方向的XY切片上测量了多孔NiAl的闭合孔隙率。

图5. TE反应后多孔NiAl中阈值分割的结果：(a) 加热方式1和2下，未反应Ni在多孔NiAl中的分布。(b) 在垂直于Z方向的XY切片上测量了多孔NiAl中未反应Ni的体积

多孔NiAl在900°C的氧化表明：样品在高升温速率下可以形成连续，厚度较低的Al₂O₃膜，具有最好的高温抗氧化性能。

图6. 不同升温速率下氧化产物断口形貌的SEM和EDS图像。

题目: Effect of the heating rate on the thermal explosion behavior and oxidation resistance of 3D-structure porous NiAl intermetallic

作者: 于洋, 蔡小平, 曹哲荐, 冯培忠

链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580322003448

DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2022.112062

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