斗学与工程学院 本科毕业设计(论文)开题报告

论文题目laves相Mg (Cui-xZnx)2合成的制备与性能表 征

班 级 金属材料二班 教 师 周琦张永胜

期_ 2013年6月

09080638 提交 专业 指导

王成环 名 口, 号 说明 毕业设计（论文）的开题报告是保证毕业设计（论文）质量 的一个重要环节，为规范毕业设计（论文）的开题报告，特 印发此表。

1、

2、 学生应在开题报告前， 通过调研和资料搜集， 主动与指导教

师讨论，在指导教师的指导下，完成开题报告。 3、 开题报告撰写不少于 3000 字， A4 纸打印，页边距左边 3.2cm,右边 2.54cm，上下边距 容为小四号宋体，行距为固定值 2.54cm，在左边装订；内

20 磅。各栏空格不够时， 请自行加页。 4、 此表一式二份， 份提交学院装入毕业设计 （论文） 档案盒，

5、 份提交指导教师。 开题报告需经指导教师审查合格后， 方可进入毕业设计

6、 开题报告可作为毕业实习的实习报告。 Laves相Mg (Cui-xZnx)2合成的制备与性能表征 题目来源 一课题研究背景及意义 近年来随着航空、航天技术的飞速发展，特别是国防武器装备向着高性能和高效 率方向的发展，人们对所用的材料提出了更高的要求。如航空发动机向着高推重比、 高增压比和高涡轮前温度的三高方向发展， 使得发动机涡轮进口温度越来越高， 迫切 需要发展新型高性能高温结构材料。金属间化合物具有较高的高温强度和弹性模量， 较高的熔点和适当的密度，是近年来人们研制开发新型高性能高温结构材料寄予最大 希望的材料之一。“金属间化合物”一词是在 1914年由英国冶金学家第一次提出的， 并把这类化合物从正常的化合物区分开来。 金属间化合物是指由两个或更多的金属组 元按比例组成的具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构和基本特性的化合物 ⑴。 由于金属间化合物具有长程有序的超点阵结构， 保持着很强的金属键结合，使它们具 有许多特殊的物理化学和力学性能，如低比重、高熔点、高硬度、耐磨损等优良特性。 金属间化合物的结构、性质和应用的研究一直受到人们的重视， 有不少已经发展成为 各种新型材料，如储氢材料、形状记忆材料、磁性材料、超导材料等 ⑵。 金属间化合物中应用最大的具有独特性能的 Laves相逐渐引起人们的注意 丄aves 相中很多种都表现出高强度、高蠕变抗力和良好的高温抗氧化性能， 作为新一代高温 结构候选材料的应用研究得到越来越多的重视，但是与其他金属间化合物一样 丄aves 相化合物的长程有序排列及金属共价键的并存，使其在室温下呈强烈脆性，这很大程 度上限制了这些Laves相化合物材料的应用和发展。为了解决 Laves相合金的脆性问 题，国内外材料科学研究人员，已对Laves相合金的物理冶金性能、力学性能、力学 行为及其影响因素进行了较广泛的研究。因此，克服 Laves相合金的脆性仍然是今后 Laves相合金的一个主要研究方向。为此，对Laves相合金的先进制备技术、成分优化、 组织调控、微观

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科学研究 结构与性能、变形行为与机理等基础性问题开展进一步系统而深入的 研究是非常必要的。 二Laves相化合物的国内外研究现状及应用 2.1 Laves相的基本特性

Laves相结构最早的研究工作主要是由拉弗斯和内维特等人在上世纪二十年代中 期进行的，1939年由舒尔策建议将这些相称为 Laves相。Laves相金属间化合物的化 学配比是 AB2，这些结构中的原子半径理想比为 rA/rB =1.225。二元 Laves相存在

3种类型⑻:六方C14（MgZn2结构）、立方C15（MgCu2结构）、复六方C36（MgNi2结构）. 立方结构由于其高对称性，较多的滑移系而容易变形，其变形能力比六方结构的C14、 C36大.热压烧结可以将常压下难以烧结的粉末在相对低的温度下烧结 ，提高材料致密 度⑷.在二种晶体结构中，每种晶体结构具有相同的基本堆垛单元。但与一般fee和hep 结构不同的是，Laves相的基本堆垛单元不是单层原子面，而是由四层原子面组成。 其中，大原子L和小原子S各占两层原子面。C15基本单的堆垛顺序类似于通常的 立方fcc结构，即沿［111］方向按，WABCABCW ,的顺序堆垛：C14的堆垛顺序类似 于通常的hcp结构，沿［0001］方向按，ABAB ,顺序堆垛:而C36则按，ABACABAC , 的顺序堆垛排列。 Laves相的组成元素原子尺寸的比例需要满足一定的要求，原子堆垛形成 Laves 相只有四面体间隙而没有八面体间隙， 即是一种Frank-Kaspar的密集堆垛方式。这使 得其晶体结构复杂，原子排列紧密，空间利用率和配位数都很高，位错在晶体内滑移 相当困难，从而导致Laves相变形能力差，室温脆性严重。在二元系合金中，如果两 个组元的原子半径相差很小，组元间的电化学交互作用不显著，则容易形成电子化合 物；如果两个组元原子半径相差大，则容易形成间隙化合物。介于这两个极端，即A、 B两个组元的原子半径有一定差别时， 常出现一些中间相，它们的特征是具有简单的 原子比。Laves相就是一种化学式主要为 AB2型的密排立方或六方结构的金属间化合 物。Laves相中原子半径比 皿/馆约在1. 1〜1. 6之间。在许多Laves相（AB2）中，过 渡族金属一般为组元B,但有时也可以起组元A的作用. 2.2 MgCu 2的结构及性质 图1 Mg-Cu二元相图 Olllr ■ Hp 图2 MgCu2的晶体结构

由图1 Mg-Cu相图⑸中可以看到，有Mg2Cu和MgCu2两种Laves相化合物，其 中MgCu2的成分范围较宽，且直到熔点它都是稳定的。 C15结构的MgCu2是典型 的Laves相，其MgCu2为立方面心点阵，晶胞中有 24个原子，Mg原子作类似金 刚石的排列，4个Cu原子形成四面体，相互之间共用顶点连接起来，排布在 Mg原 子的空隙中，如图2所示。其空间群为Fd3m,晶格常数a=0.702nm,熔点约797C。 上述结构特点使得Laves相MgCu2的晶体结构复杂，原子排列紧密，空间利用率和 配位数都很高，位错在晶体内滑移相当困难，从而导致 Laves相MgCu2变形能力差， 脆性严重，由于MgCu2, MgZn2, MgNi 2三种典型结构非常相似，仅仅堆垛次序有差 别，所以它们的结构特点也有相似的地方，我们将三种 Laves相(AB2)的特点归纳 如下： (1) 结构：可看成由B原子密排四面体堆垛而成，A位于B的四面体相邻位置， A本身组成密排四面体。也可以看成是由平行于密排面((111)或(0001)面)的 A原子双层复合层和B原子密排面按一定堆垛方式堆垛而成的层状结构。 (2) 密排：同类原子相接触，异类原子未接触。 (3) 高配位数：CN (A) =4 (A) +12 (B) =16, CN (B) =6 (A) + (B) =12。 2.3机械合金化+热压烧结制备Laves相化合物的研究现状 制备Laves相化合物的方法有普通熔铸法、定向凝固法、机械合金化法、机械合 金化+烧结法、机械合金化+热压烧结法及铸锭冶金法等。从文献资料的报道来看， 制备Laves化合物运用最多的方法是熔铸法，而采用机械合金化和热压等粉末冶金先 进制备工艺的研究则比较少。机械合金化技术 (MA)机械合金化(Mechanical Alloying , MA)是J.SBenjamin⑸提出的一种制备合金粉末的高能球磨技术，通常为干 式球磨。磨球和粉末间的相互碰撞引起塑性粉末的压扁和加工硬化，导致粒子重叠， 表面接触，发生冷焊，形成由各组分组成的多层复合粉末粒子， 同时加工硬化层及复 合粒子发生断裂。冷焊与断裂不断重复，以及充分揉混，使得粉末细化且更加均匀， 最后形成预制复合颗粒。由于复合颗粒内有大量的缺陷和微结构， 进一步高能球磨时 发生固态反应，形成新材料，它是将欲合金化的元素粉末混合起来，在高能球磨机中 长时间运转，将回转机械能传递给金属粉末，依靠球磨过程中粉末的塑性变形产生复 合，并发生扩散和固态反应而形成合金粉末。该方法最初主要着眼点集中在氧化物与 金属的混合，但近年来理论和应用的不断发展，明确了机械合金化（MA）是一种制 备合金粉末的非平衡新技术。粉末在高能球磨机中球磨，粉末经磨球的碰撞、挤压，重 复的发生变形、断裂、焊合、原子间相互扩散而形成粉末，这说明机械合金化可以引 起原子尺度的混合，即在固相状态实现合金化。机械合金化材料制备技术打破了传统 工艺的缺点，即在制备过程中各组元不能任意选择，必须受到各组元之间能否互溶和 能否形成化合物等条件的限制。此外，MA是一个强制反应，从外部加入高能量的机 械强制作用，粉末颗粒引入了大量的应变、缺陷以及纳米级的微结构 ，使得机械合金 化过程的热力学和动力学不同于普通的固态反应，可以合成常规方法难以合成的新 型合金材料。 纵观有关文献可以得到机械合金化的优点如下［6-8］①可以避免复杂的凝固过程， 工艺条件简单经济。②能形成纳米晶结构，从而提高金属间化合物的韧性，改善加工 性能，有望解决金属间化合物的室温脆性和延性问题。 ③可以在金属基体中引入均匀 弥散的环状金属间化合物。④有完全不经过融化过程的特点，特别适合难熔金属的合 金化以及非平衡相的生成。 但是，机械合金化（MA ）技术目前尚未发展成熟，还面临着对高能球磨过程的定 量描述和相交过程分析的问题。具体为（1）研究粉末变形力学，以确定高能球磨的 应力.应变、组织及晶粒度的变化；（2）研究扩散相变动力学，以解决应力、扩散、 相变的耦合问题；（3）研究团聚对非平衡结构及性能的影响，以发展合适的成形工 艺技术等。 机械合金化效果与球磨机转速、球磨时间、球料比等参数有关 ［9-11］。为了能够充 分形成金属间化合物。需要对机械合金化产物进行适当温度的热处理。 此外，研究表 明，一次球磨有利于材料强度和硬度的提高，二次球磨有利于材料断裂韧性的提高。 概括来说影响机械合金化的因素［12,13］主要有以下几点：① 磨球种类、尺寸及球 料比②球磨气氛③过程控制剂，为防止粉末颗粒粘附在磨球和罐壁上，往往需要 加入些过程