Fe
3Al金属间化合物由于具有优异的抗氧化性能、多种介质中的抗腐蚀性能和较低的密度，且不含有贵重金属引起材料学者的浓厚兴趣。然而，由于室温脆性及超过600℃后强度急剧下降这两个致命弱点，妨碍了这类材料在工业上的实际应用。机械球磨是制备纳米晶和亚稳态粉体材料的有效方法。球磨过程中，粉末经历了反复的焊合、断裂、重焊等过程从而引入了大量的界面、位错、空位、间隙原子等缺陷，进而影响到材料的微观结构和宏观性能。近年来，机械合金化合成Fe-Al金属间化合物的研究已比较成熟，但对于球磨过程中粉末与环境介质的相互作用的研究不够。本文研究3Fe／A1混合粉末的高能球磨过程以及混合粉末球磨过程中与球磨介质的相互作用，以期更为深入了解Fe-A1金属间化合物的机械合金化机制。
1 试验过程
试验采用粒度约为200目、纯度分别为98％和99.8％市售Fe粉、Al粉，将原子比为3Fe／AI的元素混合粉末置于Fritseh Pulversitte 5型行星式球磨机中进行机械球磨，以GCrl5钢球作为研磨介质，球料比为10：1，球磨机转速为300r/min。球磨过程，分别在1h，5h，10h，15h，20h取料。球磨初期，为了防止粉末之间过度冷焊，加入数滴酒精作为过程控制剂。用管式真空炉将球磨1h，5h，10h的粉末在860℃条件下退火4h，退火前先抽真空然后通入氩气保护防止粉末氧化。
用JSM-6700型扫描电子显微镜(SEM)观察粉末颗粒形貌；利用PHI-5702型多功能x射线光电子能谱仪(xPs)对球磨20h的粉末表面进行元素化学价态分析，选用MgKa线作为激发源，结合能测量精度为±0.3eV，以cls结合能284.8eV作为内标；用D8型x射线衍射仪(XRD)对球磨不同时间的粉末进行物相分析入射线为CuKa，波长为0.154056nm，管压40kV，步长0.020，扫描速度为2.5°/min。
2结果与讨论
2.1球磨粉末的物相演变
经不同时间球磨后的3Fe/A1混合粉末的XRD图谱示于图1中，可以看出，经过1h球磨之后，大部分Al进入Fe的晶界或者亚晶界，所以Al的衍射峰已经大大降低，而Fe的衍射峰位没有发生变化。球磨5h后Al衍射峰完全消失。Fe的衍射峰中心位置发生了明显的左移，形成舢在Fe中的单相固溶体。就球磨形成Fe(A1)固溶体的效率而言，这一结果与文献[6]中报道的结果一致。随着球磨时间的延长，固溶体的衍射峰逐渐宽化和矮化，球磨5h以后衍射峰的中心位置没有发生明显变化。由谢乐公式b=r／(Lcosx)可知，衍射峰宽化对应合金粉末的晶粒尺寸减小。球磨过程没有Fe
3Al有序相超结构峰的出现，这与Zhu等、范润华等的结果相同。
由于Fe的原子半径为0.124nm，而Al的原子半径为0．143nm。当溶质原子Al溶于Fe的晶格后会使点阵常数增大，根据布拉格方程2dsinx=r，入射x射线波长A为一常数，d值增大，x减小。
2.2球磨粉末的表面形貌
图2为3Fe／A1混合粉末球磨1h和20h的SEM形貌。球磨1h时粉末颗粒粒径比较粗大，如图2(a)中所示，平均粒径为30—50μm。图2(b)所示为图2(a)中的方形区域，可以看到粉末之间的冷焊主要发生在新生成的表面之间。机械合金化正是通过磨球、粉和球罐之间的强烈相互作用，外部能量传递到元素粉末颗粒中，粉末颗粒发生变形、断裂和冷焊，并被不断细化，新鲜表面不断地暴露出来，这样明显增加了反应的接触面积，缩短了原子的扩散距离，促使不同成分之间发生扩散和固态反应，最终使混合粉末在原子量级水平上实现合金化，形成合金粉末。球磨20h的混合粉末颗粒的平均直径从球磨lh时的几十微米下降到几个微米，并有许多亚微米级的小颗粒形成。
2.3球磨粉末的退火处理
图3为球磨1h、5h和10h的3Fe/AI混合粉末在860℃退火4h后的XRD图。可以看出，热处理后粉末衍射峰的宽度变窄，强度增大。其中，球磨1h和5h的粉末退火后由Fe、Fe
3Al以及少量的Fe，A1C
0.5杂质相组成，随着球磨时间的增加，退火后Fe的衍射强度逐渐降低，Fe
3A1的衍射峰逐渐增强。球磨10h的粉末退火后Fe的衍射峰完全消失，只留下Fe，灿和少量Fe
3A
10.5。杂质相。
退火后产物中出现少量碳化物Fe
3A
10.5；可能是酒精作为过程控制剂加入后，在球磨中酒精中分解出活性C原子固溶于a-Fe(Al)固溶体中，活性C原子迅速扩散至晶界、位错等缺陷集中区域，为碳化物的形成提供了成分条件。文献[6]中用正己庚烷作为过程控制剂研究Fe．Al混合粉末的球磨退火过程，在退火产物中也出现了少量的Fe
3Al
0.5。
2.4球磨粉末表面的元素化学价态
图4为球磨20h粉末表面主要元素的XPs图谱。可以看出，除了Fe、Al元素，还有0元素，说明粉末表面生成了Fe和Al的氧化物。为了分析表面氧化物的构成，对O1s谱峰进行解析，其中位于530.3eV的01s(图4(C))和位于711.68eV的Fe2p(图4(a))归属于Fe（0）；而位于532.0eV处的Ols(图4(C))和位于73．97eV的A12p(图4(b))则归属于A1
2O
3。此外，位于707.0eV处仍有归属于Fe(0)的比较微弱的Fe2p信号，说明表面氧化膜并不厚。
球磨粉末表面的Fe
2O
3是球磨粉末与空气中的氧气发生反应所致，但AI
20
3的生成还可能与酒精的加入以及空气中的水分有关，由于酒精和水中存在羟基(OH
-)，羟基与Fe(A1)固溶体中的A1发生反应。
塑-塑体系混合粉末机械合金化过程中，粉末表面生成一层氧化物薄膜可以阻止粉末颗粒之间的过度冷焊，从而在一定程度上促进机械合金化进程。另外，少量的氧化物也未必会使粉末材料的性能恶化，因为在机械合金化过程中表面的氧化物经过反复的断裂、细化最终会弥散分布于基体内部，形成弥散强化相，从而起到提高性能的作用。
3 结论
（1）在本试验条件下，混合粉末球磨5h后可以得到以Fe为基的固溶体；球磨10h的粉末退火后可以得到单相的Fe
3A1；
（2）球磨1h的粉末颗粒平均尺寸为几十微米，球磨20h时的颗粒平均尺寸降到几个微米；
（3）球磨20h的粉末表面生成一层由Fe
20
3和AI
20
3组成的氧化物薄膜。
