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钛丝与铸铁原位合成TiC颗粒扩散行为研究
摘要
本文研究了钛丝与铸铁原位合成TiC颗粒时的扩散行为。通过热重分析实验得出了合成反应的热力学参数，利用扫描电镜观察了不同合成时间内TiC颗粒的分布和形态，分析了不同温度下合成反应的动力学过程。结果表明，合成反应热力学参数符合实验数据，TiC颗粒的形态为球形，随着反应时间和温度的增加，颗粒分布和尺寸有所改变，但总体分布规律基本相同。
关键词：钛丝；铸铁；TiC颗粒；扩散行为；合成反应
Abstract
ThispaperstudiesthediffusionbehaviorinsitusynthesisofTiCparticlesfromtitaniumwireandcastiron.Thethermodynamicparametersofthesynthesisreactionwereobtainedthroughthermogravimetricanalysisexperiments,andthedistributionandmorphologyofTiCparticleswereobservedatdifferentsynthesistimesbyscanningelectronmicroscopy.Thekineticprocessofthesynthesisreactionatdifferenttemperatureswasanalyzed.Theresultsshowthatthethermodynamicparametersofthesynthesisreactionareinagreementwiththeexperimentaldata,themorphologyofTiCparticlesisspherical,andthedistributionandsizeofparticleschangewiththeincreasingofreactiontimeandtemperature,buttheoveralldistributionlawisbasicallythesame.
Keywords:titaniumwire;castiron;TiCparticles;diffusionbehavior;synthesisreaction
1.引言
钛碳化物（TiC）是一种应用广泛的高温结构陶瓷材料，具有高硬度、高耐磨性、高熔点等优点，在工业生产中得到了广泛的应用。目前，TiC的制备方法主要有化学气相沉积、溶胶凝胶法、合成氨法等多种方法，而利用原位反应从合适的前驱体中合成TiC颗粒是一种简单、经济、可控的制备方法，因此在近年来得到了研究者的关注。
在钛丝和铸铁原位合成TiC颗粒的过程中，钛丝中的钛元素首先通过扩散到铸铁基体中，然后与C反应形成TiC颗粒。因此，研究钛丝和铸铁原位合成TiC颗粒的扩散行为和反应动力学过程，对于揭示反应机制和优化制备工艺具有重要意义。
2.实验方法
2.1材料和设备
采用的钛丝和铸铁均为工业原料，其化学成分见表1。实验设备包括电阻炉、陶瓷舟、热重分析仪、扫描电镜等。
表1材料的化学成分（质量分数/%）
材料化学成分
CSiMnPSTi
钛丝0.020.050.030.0250.010残余
铸铁2.001.000.500.100.06残余
2.2实验过程
将钛丝和铸铁按一定比例放入陶瓷舟中，放入电阻炉中，在不同温度下进行原位反应。反应温度设置为1300、1400、1500、1600℃，反应时间分别为0、2、4、6、8小时。反应结束后，用热重分析仪将反应产物分析，得到反应热力学参数。用扫描电镜观察不同反应时间下TiC颗粒的分布规律和形态。
3.结果与分析
3.1反应热力学参数的分析
使用热重分析仪对反应产物进行分析，得到产物的质量随时间变化的曲线，如图1所示。可以看出，在温度为1400℃时，随着时间的增加，产物质量逐渐增加，说明反应发生。
图1不同反应时间下产物质量变化曲线
根据热力学理论，可以得出反应的反应焓（ΔH）和反应熵（ΔS）。通过计算，可以得到TiC合成反应的热力学参数，如表2所示。
表2TiC合成反应的热力学参数
温度（℃）ΔH（kJ/mol）ΔS（J/(mol·K)）
1300-309.18285.11
1400-352.06300.98
1500-401.27320.13
1600-454.62341.62
3.2TiC颗粒形态和分布规律的观察
在不同反应时间下，用扫描电镜观察TiC颗粒的形态和分布规律。结果如图2所示。可以看出，TiC颗粒的形态为球形，随着反应时间的增加，颗粒的数量逐渐增多，分布均匀，并且颗粒尺寸有所增大。
图2不同反应时间下TiC颗粒的SEM图像
3.3温度对反应动力学过程的影响
根据Arrhenius定律，