Fe₃Al金屬間化合物由于具有優(yōu)異的抗氧化性能、多種介質(zhì)中的抗腐蝕性能和較低的密度，且不含有貴重金屬引起材料學(xué)者的濃厚興趣。然而，由于室溫脆性及超過600℃后強(qiáng)度急劇下降這兩個致命弱點(diǎn)，妨礙了這類材料在工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用。機(jī)械球磨是制備納米晶和亞穩(wěn)態(tài)粉體材料的有效方法。球磨過程中，粉末經(jīng)歷了反復(fù)的焊合、斷裂、重焊等過程從而引入了大量的界面、位錯、空位、間隙原子等缺陷，進(jìn)而影響到材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。近年來，機(jī)械合金化合成Fe-Al金屬間化合物的研究已比較成熟，但對于球磨過程中粉末與環(huán)境介質(zhì)的相互作用的研究不夠。本文研究3Fe／A1混合粉末的高能球磨過程以及混合粉末球磨過程中與球磨介質(zhì)的相互作用，以期更為深入了解Fe-A1金屬間化合物的機(jī)械合金化機(jī)制。
1 試驗(yàn)過程
    試驗(yàn)采用粒度約為200目、純度分別為98％和99.8％市售Fe粉、Al粉，將原子比為3Fe／AI的元素混合粉末置于Fritseh Pulversitte 5型行星式球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械球磨，以GCrl5鋼球作為研磨介質(zhì)，球料比為10：1，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300r/min。球磨過程，分別在1h，5h，10h，15h，20h取料。球磨初期，為了防止粉末之間過度冷焊，加入數(shù)滴酒精作為過程控制劑。用管式真空爐將球磨1h，5h，10h的粉末在860℃條件下退火4h，退火前先抽真空然后通入氬氣保護(hù)防止粉末氧化。
    用JSM-6700型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察粉末顆粒形貌；利用PHI-5702型多功能x射線光電子能譜儀(xPs)對球磨20h的粉末表面進(jìn)行元素化學(xué)價態(tài)分析，選用MgKa線作為激發(fā)源，結(jié)合能測量精度為±0.3eV，以cls結(jié)合能284.8eV作為內(nèi)標(biāo)；用D8型x射線衍射儀(XRD)對球磨不同時間的粉末進(jìn)行物相分析入射線為CuKa，波長為0.154056nm，管壓40kV，步長0.020，掃描速度為2.5°/min。
2結(jié)果與討論
2.1球磨粉末的物相演變
    經(jīng)不同時間球磨后的3Fe/A1混合粉末的XRD圖譜示于圖1中，可以看出，經(jīng)過1h球磨之后，大部分Al進(jìn)入Fe的晶界或者亞晶界，所以Al的衍射峰已經(jīng)大大降低，而Fe的衍射峰位沒有發(fā)生變化。球磨5h后Al衍射峰完全消失。Fe的衍射峰中心位置發(fā)生了明顯的左移，形成舢在Fe中的單相固溶體。就球磨形成Fe(A1)固溶體的效率而言，這一結(jié)果與文獻(xiàn)[6]中報(bào)道的結(jié)果一致。隨著球磨時間的延長，固溶體的衍射峰逐漸寬化和矮化，球磨5h以后衍射峰的中心位置沒有發(fā)生明顯變化。由謝樂公式b=r／(Lcosx)可知，衍射峰寬化對應(yīng)合金粉末的晶粒尺寸減小。球磨過程沒有Fe₃Al有序相超結(jié)構(gòu)峰的出現(xiàn)，這與Zhu等、范潤華等的結(jié)果相同。
    由于Fe的原子半徑為0.124nm，而Al的原子半徑為0．143nm。當(dāng)溶質(zhì)原子Al溶于Fe的晶格后會使點(diǎn)陣常數(shù)增大，根據(jù)布拉格方程2dsinx=r，入射x射線波長A為一常數(shù)，d值增大，x減小。

2.2球磨粉末的表面形貌
    圖2為3Fe／A1混合粉末球磨1h和20h的SEM形貌。球磨1h時粉末顆粒粒徑比較粗大，如圖2(a)中所示，平均粒徑為30—50μm。圖2(b)所示為圖2(a)中的方形區(qū)域，可以看到粉末之間的冷焊主要發(fā)生在新生成的表面之間。機(jī)械合金化正是通過磨球、粉和球罐之間的強(qiáng)烈相互作用，外部能量傳遞到元素粉末顆粒中，粉末顆粒發(fā)生變形、斷裂和冷焊，并被不斷細(xì)化，新鮮表面不斷地暴露出來，這樣明顯增加了反應(yīng)的接觸面積，縮短了原子的擴(kuò)散距離，促使不同成分之間發(fā)生擴(kuò)散和固態(tài)反應(yīng)，最終使混合粉末在原子量級水平上實(shí)現(xiàn)合金化，形成合金粉末。球磨20h的混合粉末顆粒的平均直徑從球磨lh時的幾十微米下降到幾個微米，并有許多亞微米級的小顆粒形成。
2.3球磨粉末的退火處理

    圖3為球磨1h、5h和10h的3Fe/AI混合粉末在860℃退火4h后的XRD圖�？梢钥闯�，熱處理后粉末衍射峰的寬度變窄，強(qiáng)度增大。其中，球磨1h和5h的粉末退火后由Fe、Fe₃Al以及少量的Fe，A1C_0.5雜質(zhì)相組成，隨著球磨時間的增加，退火后Fe的衍射強(qiáng)度逐漸降低，F(xiàn)e₃A1的衍射峰逐漸增強(qiáng)。球磨10h的粉末退火后Fe的衍射峰完全消失，只留下Fe，燦和少量Fe₃A_10.5。雜質(zhì)相。
    退火后產(chǎn)物中出現(xiàn)少量碳化物Fe₃A_10.5；可能是酒精作為過程控制劑加入后，在球磨中酒精中分解出活性C原子固溶于a-Fe(Al)固溶體中，活性C原子迅速擴(kuò)散至晶界、位錯等缺陷集中區(qū)域，為碳化物的形成提供了成分條件。文獻(xiàn)[6]中用正己庚烷作為過程控制劑研究Fe．Al混合粉末的球磨退火過程，在退火產(chǎn)物中也出現(xiàn)了少量的Fe₃Al_0.5。

2.4球磨粉末表面的元素化學(xué)價態(tài)
    圖4為球磨20h粉末表面主要元素的XPs圖譜。可以看出，除了Fe、Al元素，還有0元素，說明粉末表面生成了Fe和Al的氧化物。為了分析表面氧化物的構(gòu)成，對O1s譜峰進(jìn)行解析，其中位于530.3eV的01s(圖4(C))和位于711.68eV的Fe2p(圖4(a))歸屬于Fe（0）；而位于532.0eV處的Ols(圖4(C))和位于73．97eV的A12p(圖4(b))則歸屬于A1₂O₃。此外，位于707.0eV處仍有歸屬于Fe(0)的比較微弱的Fe2p信號，說明表面氧化膜并不厚。

    球磨粉末表面的Fe₂O₃是球磨粉末與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)所致，但AI₂0₃的生成還可能與酒精的加入以及空氣中的水分有關(guān)，由于酒精和水中存在羥基(OH^-)，羥基與Fe(A1)固溶體中的A1發(fā)生反應(yīng)。
    塑-塑體系混合粉末機(jī)械合金化過程中，粉末表面生成一層氧化物薄膜可以阻止粉末顆粒之間的過度冷焊，從而在一定程度上促進(jìn)機(jī)械合金化進(jìn)程。另外，少量的氧化物也未必會使粉末材料的性能惡化，因?yàn)樵跈C(jī)械合金化過程中表面的氧化物經(jīng)過反復(fù)的斷裂、細(xì)化最終會彌散分布于基體內(nèi)部，形成彌散強(qiáng)化相，從而起到提高性能的作用。
3 結(jié)論
（1）在本試驗(yàn)條件下，混合粉末球磨5h后可以得到以Fe為基的固溶體；球磨10h的粉末退火后可以得到單相的Fe₃A1；
（2）球磨1h的粉末顆粒平均尺寸為幾十微米，球磨20h時的顆粒平均尺寸降到幾個微米；
（3）球磨20h的粉末表面生成一層由Fe₂0₃和AI₂0₃組成的氧化物薄膜。