机械合金化及其在新材料开发研制中的应用.ppt

机械合金化及其在新材料开发研制中的应用 机械合金化及其在新材料开发研制中的应用 机械合金化历史 机械合金化技术简介 机械合金化材料研发中的理论研究 机械合金化结构材料开发 机械合金化功能材料开发 机械合金化的前景 一、机械合金化历史 机械合金化(Mechanical Alloying), 也称为高能球磨(High-energy Ball Milling)技术，是70年代初由美国国际镍公司(INCO)开发的，最初是用于研制氧化物弥散强化的镍基超合金。自八十年代初发现它可用来制备非晶态材料后，对它的研究引起人们极大的兴趣。八十年代主要集中于高能球磨制备非晶态材料的研究。九十年代则将其作为室温固态反应过程进行着多方面广泛的研究。近年的研究表明，由于高能球磨过程中引入大量的应变、缺陷及纳米量级的微结构，使得合金化过程的热力学和动力学过程不同与普通的固态反应过程，提供了其它技术（如快速凝固等）不可能得到的组织结构，因而有可能制备出常规条件下难以合成的许多新型合金。 二、机械合金化技术简介 MA物理过程 高能球磨是一个高能量干式球磨过程。简单地说，它是在高能量磨球的撞击研磨作用下，使研磨的粉末之间发生反复的冷焊和断裂，形成细化的复合颗粒，发生固态反应形成新材料的过程。 原材料可以是元素粉末、元素与合金粉末和金属间化合物、氧化物粉末等的混合物。磨球一般采用轴承钢球。 球－粉末－球的碰撞引起塑性粉末的压扁和加工硬化，当被压扁的金属粒子重叠时，原子级洁净的表面紧密地接触，发生冷焊，形成由各组分组成的多层的复合粉末粒子，同时发生加工硬化的组分及复合粒子的断裂。冷焊与断裂不断重复，有效地“揉混”复合粉末的内部结构，其不断细化并越来越均匀，形成均匀细化的复合颗粒。由于复合颗粒内有大量的缺陷和纳米微结构，进一步高能球磨时发生固态反应形成新的合金材料。材料在高能球磨过程中，界面及其它晶体缺陷的增加是其共性，而元素本身的性质、不同元素之间的交互作用及外界条件的影响等，则决定了高能球磨的最终结果。 为了提供高能球磨所需要的能量，在碰撞之前，磨球的速度至少应达到每秒几米的水平。图1.1是高能球磨所用的Szegvari球磨机。它有一垂直的中心轴，装在中心轴上以一定速度旋转的搅动器驱动钢球，赋予了钢球能量。球磨机应能保持密封，有时还需在保护气氛（如Ar、N2）下进行高能球磨。对于大工业化生产可采用普通的滚筒式球磨机，但为使钢球获得足够高的能量，要求它具有足够大的尺寸（直径大于1m）。 MA材料制备工艺过程 高能球磨工艺特点 以83年用高能球磨合成制备非晶态材料为新契机，十多年来进行的广泛深入研究表明，高能球磨不仅导致组元间均匀细化复合，而且由于高能球磨时复合颗粒内大量缺陷和纳米微结构的形成，组元间发生不同于一般固态反应的反应过程，根据合金体系与球磨条件可发生平衡或非平衡反应，为材料的合成制备开辟了一条崭新的途径。和常规的冶炼工艺及一般的快速凝固非平衡工艺相比，高能球磨工艺有以下几大特点： 工艺简单，易于工业化生产，产量大(一台大型球磨机日产量可达吨级)。 整个过程在室温固态下进行，无需高温熔化，工艺简单灵活。 合成制备材料体系广，不受平衡相图的限制。 可得到其它技术较难得到的组织结构，如宽成分范围的非晶合金、超饱和固溶体、纳米晶合金及原位生成的超细弥散强化结构。 可合成制备常规方法无法得到的合金，特别是不互溶体系合金、熔点差别大的合金、比重相差大的合金及蒸汽压相差较大的合金等难熔合金的制备。 根据需要，制备的合金粉末既可作为最终产品使用，也可利用成熟的粉末冶金成型工艺制备块体产品材料。 可见高能球磨作为材料合成制备的新技术有其独特的强大魅力。时至今日，它已发展成为一门重要的材料制备新技术，在新材料的开发和材料科学的研究中发挥着重要作用。 多功能高能球磨机研制 三、高能球磨材料研发中的理论研究 超饱和固溶 非晶化机理 固态反应 机械力活化 球磨过程中温度效应 1、超饱和固溶 高能球磨不但可制备固溶体而且可制备过饱和固溶体。 高能球磨形成固溶体最早是Benjamin为证实该工艺可导致原子尺度化合而对互溶的Ni-Cr固溶体系研究的结果，证明高能球磨制备的Ni-Cr固溶体和一般铸锭冶金所得的Ni-Cr固溶体具有相同的磁性能，而后,对半导体Ge-Si体系的研究同样证实了高能球磨可导致组元互溶形成固溶体。对于非平衡工艺，如快淬工艺，