论文摘要
α-Al2O3由于具有热力学稳定、机械强度高、耐蚀能力强等特点而得到广泛的应用。然而,传统上α-Al2O3的制备温度高达1000℃,这却极大地限制了其应用,因此低温制备α-Al2O3成为一个亟需解决的问题。本文采用真空熔炼浇铸的方法制备Al-Cr合金试样,研究富Al端Al-Cr合金在620～720℃下空气中的氧化行为,利用Al-Cr合金在低温下制备α-Al2O3,并考查其影响因素。同时研究A145Cr7粉末在650～720℃下空气中的氧化行为,探讨Cr在α-Al2O3（?）温形核中的作用机理。利用环境透射电镜、以纳米Al粉末为原料制备液态Al并原位观察了液态Al在720℃真空下的氧化,并在720℃研究了不同气氛下块状Al熔化获得的液态Al的氧化,以探讨液态Al的真正氧化结果及其形成机理。试样成分与相结构分析结果表明浇铸制备合金的实际Cr含量与设计值基本一致,但相组成与相图略有差别。Cr含量在18wt%以下的试样相成分为Al（Cr）固溶体和金属间化合物Al45Cr7两相；Cr含量在23～27wt%的试样为Al（Cr）固溶体、Al45Cr7和Al4Cr三相；Cr含量30～56wt%的试样则为Al45Cr7、A14Cr和A18Cr5三相。氧化结果表明Al-Cr合金可以在720℃下形成α-Al2O3。在氧化中,α-Al2O3同时在Al45Cr7表面、Al45Cr7/Al（Cr）固溶体界面以及Al（Cr）固溶体表面形核,其中在Al45Cr7表面和Al（Cr）固溶体表面的α-Al2O3会形成连续的氧化膜,在Al45Cr7/Al（Cr）固溶体界面处的α-Al2O3则生长成颗粒。试样表面粗糙度、Cr含量、合金相结构及氧化温度对α-Al2O3的形成及氧化膜形貌有影响。具有光滑表面的Al-Cr合金试样,短时间氧化后即在表面形成薄且致密的α-Al2O3膜；粗糙表面试样则会形成厚α-Al2O3膜。超声喷丸处理试样形成的氧化膜具有大量排列紧密的α-Al2O3颗粒。高Cr含量有利于α-Al2O3的形成,在一定范围内,Cr含量越高,Al-Cr合金氧化后形成的α-Al2O3膜越厚。但当Cr含量达到27wt%时,试样形成的氧化膜反而非常薄,XRD检测不到。Cr含量高达30wt%以上时,形成的氧化物中含有大量的Cr2O3,使氧化膜呈现蓝色。最有利于形成厚α-Al2O3膜的Cr含量在23wt%附近。合金的相结构对α-Al2O3能否形成没有影响,但Al45Cr7相在基体中均匀分布时有利于致密α-Al2O3膜的形成。不同温度下氧化的研究则表明Al-Cr合金最低可以在670℃的温度下热氧化制备α-Al2O3。Al45Cr7粉末也可以在67℃以上温度氧化形成α-Al2O3。Al45Cr7粉末在670～720℃的温度区间内氧化时先形成Cr2O3和非晶Al2O3,再形成α-Al2O3,证明了Cr2O3的形核核心作用。但温度低于650℃时,α-Al2O3无法形核。α-Al2O3/Cr2O3形核界面取向关系为（001）α-Al2O3/（001）Cr2O3。界面有一个6原子层厚的过渡区,并且界面两（?）α-Al2O3和Cr2O3的（001）晶面间存在5°的夹角。此外,尽管α-Al2O3在形核时（001）晶面首先形成,并沿着Cr2O3（202）晶面外延生长,但在其后续长大过程中并没有发生这两个晶面的择优生长。纳米Al粉末表面有一层厚5-6nm的非晶Al2O3,它们会在350～550℃转变为γ-Al2O3。去除表面原始氧化膜的液态Al在E-TEM中720℃、10-2Pa氧分压下氧化后直接形成α-Al203,产物形貌为垂直于液面的α-Al203纳米棒。同时,去除表面氧化膜的块状A1在720℃、10-2Pa氧分压下氧化,其氧化产物也为α-Al2O3,没有γ等亚稳相Al2O3。此外,不同气氛下的氧化结果表明气氛中氧含量越高越有利于α-Al2O3的形成,但当氧含量过高时反而会在液态Al表面形成较薄的α-Al2O3膜。