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  • 机械合金化及其在新材料开发研制中的应用

    作者:admin发表时间:2022-08-13

      ma材料制备工艺过程处理过程特征细粉末高能球磨hebm动态再结晶超细化晶粒005弥散化晶粒生长01热压亚结构的形成细小晶粒01挤压重结晶晶粒长大0312高能球磨制备结构材料的过程示意图粉末添加剂pca高能球磨合金粉末成品已成型粉末已除气粉末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

       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

      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。

      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)。

      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。

      自行设计研制成功高性能、多功能、搅拌式高能球磨设备,解决了搅拌机动密 封的难题,实现了高真空、保护气氛及变温球磨,气氛保护取料,该设备具备 中试生产能力,为合成纳米等新材料创造了必要条件。学校验收组认为该设备 整体上处于国内领先水平,部分已达国际先进水平,通过验收。目前该设备在 科研工作中发挥着重要作用。

      该设备的研制成功,增强了我校的 新材料开发研制能力。在纳米晶材料研 究、功能材料开发、原位复合材料等高 性能材料的研制等领域有重要意义。

       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

      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,常 导致形成过饱和固溶体,对于高能球磨这一室温非平衡过程同样 有此效果。对于组元间混合热为正的或熔点、比重差大的体系(也 称难互溶体系),难于用常规方法形成固溶体,而这类合金系往往 有独特的性质,开发其新的制备工艺很有必要。

      对于高能球磨形成过饱固溶体现象在研究高能球 磨非晶化时已注意到,而且也有较多的文献报道,但 对其进行较系统的研究则是近期之事。Schwarz等人 在研磨Ni-Ti时得到了含28at%Ti的Ni的固溶体,而Ti在 Ni中的平衡固溶度仅有百分之几。体系混合热均为负 值,可以用自由能-成分曲线来解释。

      对于混合热为正的体系,高能球磨亦可形成过饱 和固溶体。Shingu等人报导了Ag-59at%Fe、Cu30at%Fe高能球磨均形成单一面心立方结构,后来 Chenishi等人用电子衍射和Mossbauer试验进一步证 实,研磨后所获得的是原子尺度互溶的单一面心立方 结构],但未给予充分解释,只是说明研磨促使互溶。 对于液态不互溶体系,如Cu-Ta、Cu-W也用高能球磨 法得到了纳米晶的过饱和固溶体,但对于其转变机制 尚不清楚。Sui等研磨Al-Co二元系时发现Al-Co金属 间化合物固溶度明显扩大,并提出了过饱和固溶体的 晶界溶解机制(图1-6),认为研磨时由于纳米晶的形成 产生了大量的界面,这些界面可溶解大量的溶质原子, 一方面可降低体系自由能,另一方面在X衍射及电子 衍射中这类原子丧失了结构特征。

      对于高能球磨合成 过饱和固溶体的形成机 制,看来除了热力学因 素外,高能球磨时体系 转变的动力学因素更为 重要。由于它也是高能 球磨固态合成反应过程 的第一步,因此对其深 入了解将有助于理解合 成非晶及金属间化合物 的机制。

       高能球磨合成非晶态合金的研究是八 十年代的研究热点,也是该工艺再度 受到重视的原因之一。

      首先和快淬法不同,该工艺制备的非晶成 分范围较宽而且连续变化(图1-4),有利于改善 非晶合金的电学、热学等性能,其次,一些用急 冷法难以得到的非晶合金,如液态下不互溶的两 金属及高熔点金属的非晶合金,亦可用高能球磨 工艺获得,而且除金属-金属型合金外,还可制 备金属-非金属型,并且已经发展到两个组元以 上金属与类金属、乃至纯元素的非晶合金。此外 高能球磨制备的非晶粉末,经过低温高压成型后, 可制备大块非晶合金材料;更为有利的是高能球 磨设备简单,易于工业化生产,得到的非晶粉末 易于成形,为生产大块非晶材料提供了一条新途 径。

      认为在球磨时粉末受到磨球的高速撞击和摩擦,粉末粒子会发生局部熔化,与粉末熔池相比,磨球的温 度低且体积巨大,熔池又被球体快速激冷导致非晶化Schwarz、Eckert等人的计算均否定了发生熔化的可能 性。更重要的是高能球磨与快淬法形成非晶的成分区间也有很大的差别,快淬法在共晶成分附近易于形成非 晶合金,而高能球磨则在稳定化合物附近更易形成非晶(参见图1-4)。

      (1)系统具有很大的负混合热;(2)系统为一不对称的扩散偶(即组元间具有异常快的扩散现 象或组元间的原了半径差值较大,通常大于10%) (1)可认为是非晶化的热力学条件,终态的非 晶相比起始态的元素混合物具有更低的自由能;而(2)则被认为是非晶化反应的动力学条件,使 组元间通过扩散形成非晶相而不是能量更低的金属间化合物。高能球磨过程中,两种金属粉末 也能逐渐形成不同金属相互叠合的层状组织,可按上述固态反应机制,根据体系的介稳相的自 由能-成分曲线来予测非晶形成趋势及成分范围。非晶态λ按过冷液态规则溶液处理,其混合 热按Miedema模型进行计算。

       研磨过程中造成粉末的严重变形,由此而产生的晶体缺陷将对高能球磨过程 中晶态到非晶态转变的热力学和动力学产生影响。

      NJLa1bn27g5→事G和fec实K2c5o→上,ch非,N研b晶有7磨5态些G单e的合2一5转金在N变通研i3A过过磨l金程扩时属,散首间他偶先化们无形合认法成物为得A时1研到5也结磨非得构过晶到的程,了N中通非b引过3G晶入高e,化的能随合缺球研物陷磨磨,,却进继特得行续别到,研是了从磨界。微才面其观转在中上变晶有经为体N历b非向50了晶非A从l5。晶0、转 变过程起了重要作用。在Nb3Sn中也发现了这种现象,研磨过程中正电子寿命首先提高,非晶 化后降至一恒定值,他们认为,粉末在研磨时首先形成位错胞结构,而后是纳米晶结构的产生 和细化,最后形成非晶。

       对于具有负的混合热体系,研磨过程中 非晶合成反应可用图1-7定性说明。

      A、B代表纯组元,也可代表两种化合物。当 原始状态为混合物时,研磨从1→2,这即第一种 途径(MA),化学组成发生变化;而原始状态为单 一金属间化合物时,研磨从3→2,即第二种途径 (MG),化学组成不变化。

       具有零混合热及正混合热的合金]系,通 过高能球磨也得到了非晶,而且许多体 系中非晶的成分范围比按固态反应非晶 化机制预计的要宽。

      合成反应一般指由两种或两种以上纯组元生成一种不同于反应组元的新产物的反应。依 据反应的不同结果,有合成固溶体、合成非晶合金、合成金属间化合物之分;通过高能球磨可 以制备中间相与化合物。这为金属间化合物的广泛应用提供了新的开发途径。

       Davis等报道了脆性的Mn-50at%Bi经8hr研磨后形成了金属间化合 物MnBi,分析了在SPEX球磨机中球磨温升程度(T350K),表明 了单纯的温升不大可能导致金属间化合物的形成。

       Bern等通过含有适量过程控制剂(PCA)在惰性气氛下球磨合成了 Ti3Al和TiAl金属间化合物,并且合成了Al3Ti这类用常规铸造工艺 不易合成的金属间化合物。

       Dollar等利用高能球磨制成的NiAl基弥散强化合金具有优良的高 温性能,在1100℃时抗拉强度仍然大于200MPa。

      假设复合层片的两种金属之间存在非晶,当此 非晶中形成一个边长为2r的晶核时,体系的自由能 变为:

      所以,浓度梯度下降将有利于晶体(金属间化合物)的形成(参见图 1-9)。

      上述分析表明,在两种金属的复合层中形成金属间化合物,除应 具备热力学条件(体系具有负混合热)外,还应达到一个动力学条件, 即元素扩散均匀化。上式把晶化的两个条件联系在一起,并给出定量 判据。

      Al-50at%Cu混合物粉末在研磨过程中首先发生Al、Cu的强制互溶,形成纳米晶过饱和固溶 体,而后发生固态反应,形成纳米晶金属间化合物。晶粒尺寸在10nm以下。经退火处理,晶 粒有所长大,但仍小于50nm,未有其它新相形成。

      Al-Fe合金系统在实验条件下,高能球磨仅形成纳米晶固溶体,无任何金属间化合物形成。

       利用高能球磨进行固态还原反应的研究是由澳大利亚学者 McCormick研究小组首先提出并进行的 。

      通过对研磨CuO/Ca时球磨筒温度的测量,发现在研磨过程中磨筒温度突然升高,之后又 缓慢下降。初步的解释是,研磨过程中体系的反应绝热温度可达4000K,超过该体系的自蔓延 反应的点火温度(Tad1800K),同时由于研磨过程中粉末反复焊合及断裂,导致晶粒细化及引 入大量缺陷,使体系反应所需的温度下降,因此在低温下研磨,还原反应得以实现。用其它 几种金属作为还原剂与氧化物或氯化物一起研磨也发生了类似的还原反应。

      采用高能球磨工艺进行固态还原反应,可以直接利用活性金属还原金属氧化物或氯化物, 还原出纯金属。与常规的金属粉末处理工艺相比,不需通过中间合金过程,并且这种工艺可 以制备传统工艺不能得到的活性金属及合金,如稀有金属,为制造纯金属粉末开辟了一个新 方向,在国内当时尚无这方面的研究报道。选择还未见有报导的CuO/Si还原对,使用搅拌式 高能球磨机,进行高能球磨固态还原反应的初步研究,探索其反应可能性、反应条件及反应 进程,研究搅拌球磨工艺参数对其影响,探讨其反应机制。

      高能球磨能够在室温实现固态Si还原CuO反应,并得到纳米级的Cu和SiO2的金属基复合 材料。还原反应的进行有赖于高能球磨的工艺条件。研究结果表明,在大的球料比下可使还 原反应在高能球磨过程中完成;小的球料比下,还原反应将不彻底,而且即使将其在较高的 温度下进行热处理也不能促使其彻底地完全还原,说明球磨过程中的固态还原反应不同与高 温热激活下的固态还原反应,球磨过程中缺陷增加导致体系能量升高是反应发生的主要原因。

       对高能球磨固态还原反应的研究,使人们全面地认识到高能球磨 是一个反应激活过程,从而继合成非晶后再次拓宽了人们对高能 球磨工艺的开发范围,更明确提出了反应球磨(RBM)这类新概念。 为用其制备新材料打开了新思路。

       高能球磨确实可以激发室温固态反应。无论是对合成过饱和固溶 体、非晶态及金属间化合物,还是对还原反应都有促使其在室温 下发生的作用,这其中必有共同之处。在反应的热力学条件具备 时,高能球磨则为其提供了充分的动力学条件,粉末晶粒在研磨 时细化,使界面的作用更显著,可能是重要因素,同时其它微观 缺陷的增多及碰撞时的温升,都对反应的进行有促进作用。甚至 在热力学条件不具备时,由于研磨造成的体系能量升高,一般条 件下难以产生的非平衡态也可形成,但这方面的研究则更显薄弱, 更多的研究则侧重于合成新材料。毕竟高能球磨固态反应突破了 平衡相图对材料开发的限制,加之除合成反应外,高能球磨还可 进行还原反应,使材料制备的灵活性大大增加。

       将固态合成和固态还原反应相结合进行固态复合反应的研究,这不仅 具有理论上的意义,而且可进一步分析固态反应中复合反应、合成反 应、还原反应之间的异同,从而为制备原位形成强化相的复合材料将 开辟新的途径。

      •在高能球磨Al-Cu固态合成反应及 CuO/Si固态还原反应的研究基础上, 提出了Al/CuO固态复合反应的研究 Al/CuO发生固态复合反应。随Al含 量增加,反应产物依次为纳米晶的 C和uA和l2AOl32及O3A、l(CCuu9)A固l4溶和体Al和2OA3、l2OC3u复Al2 合颗粒。研究发现,和单纯的高能 球磨固态合成反应不同,高能球磨 复合反应中,由于还原反应产物的 高的活性,使得同时可发生合成反 应,合成反应的产物可接衡态 的结果。固态复合反应过程呈现反 应温区低且宽的固态扩散反应为主 的特征。

       球磨是制备活性固体的有效方法之一 。球磨的细化作 用曾被广泛地进行了研究,但对球磨的机械力化学效 应则研究不多。高能球磨的活化过程是合成材料的基 础,对于揭示机械力活化合成的机理有重要作用。

       在高能球磨过程中,不仅会发生粉末的细化,而且粉 末内部产生复杂的结构变化,如产生显微应变、非晶 化等。表述机械力化学效应的参数很多,常用的几种, 如晶粒尺寸、显微应变、有效温度系数等,并用溶解 方法间接反映高能球磨产生的活化效应。我们系统地 研究了高能球磨后氧化铝的细化过程和产生的机械力 化学效应。

       结晶度好的氧化铝只微量溶解于稀酸中,而当氧化铝球磨活化后, 在酸中溶解量就会大大提高。用溶解的方法可以反映出固体的活 性。经球磨后,氧化铝在盐酸中溶解活化能由18kJ/mol降低到 4kJ/mol。

       球磨过程中机械力化学效应因子的变化规律是:晶粒细化与显微 应变的增加同步进行,随着时间延长,晶粒细化和显微应变增加 速度减慢,均匀晶格变形饱和,而有效温度系数(结构无序化) 增加。

       对于高能球磨过程中的固态反应进程,除组元细化导致反应扩散距离缩 短及缺陷增多使体系的能量升高的影响外,尚有一个重要的因素就是球 磨过程中粉末的温升。

       对于高能球磨过程中粉末温升程度,在研究高能球磨非晶化机制中曾予 以考虑。早期的观点认为,粉末与磨球碰撞时的严重塑性变形引起粉末 的局部温度升高导致表面薄层熔化,而其后的冷却引起快速凝固。这一 机制现已被大多数研究者所否定。一个主要的依据是,高能球磨所得到 的非晶合金的成分范围与快速凝固所得到非晶合金的成分范围不同。

       由于测定碰撞瞬间粉末的温升很困难,一般有两种方法用来估计 研磨粉末的温升程度。一种是采用近似的模型计算,如Schang和 Koch对Spex振动磨中粉末温升的估算;另一种是检验研磨粉末的 最终组织来判断粉末球磨过程中的温升,如Davis用Fe-1.2at%C合 金研磨组织判断球磨过程中粉末温度的上限在265-280℃之间。间 接估算粉末研磨时,其温度不会达到很高而导致粉末熔化,粉末 温升仅在100~300K的中等范围以内。

       上述粉末温升仅考虑由于粉末吸收球磨时的球间碰撞能量而引起,均未考虑粉末 发生固态反应放热时造成的粉末温升作用。对于有很大的放热效应的还原反应, 高能球磨固态反应过程中将有明显的放热效应,可用来判断固态反应的进程,而 对一般的合金化(形成固溶体、非晶化、形成金属间化合物),固态反应的热效应 则较小。

       将间接测量和模型计算结合起来,建立粉末碰撞温升和工艺条件的关系,并通过 组织结构分析予以证实,从而为探索高能球磨固态反应机制奠定一定的基础。

       图6-15为不同工艺条件下实测的磨筒平衡温度与理论计算 平衡温度对比图。可见用本章基本理论模型进行计算,所 得到的结果和实测结果基本吻合,而且变化趋势一致 。

       由该模型计算,在最强球磨强度下,粉末的碰撞温升小于 125K,即粉末实际碰撞时,理论上能达到的最高温度低 于160℃。这也和对Al-Cu固态合成反应和Al/CuO固态反 应的DSC-X衍射联合分析的结果一致。若粉末温度高于 160℃,则在研磨过程中应有中间产物产生,这和实际结 果不相符,再次表明该模型是适合实际情况的,可用该模 型进行粉末温升的估算。

       高能球磨为固态反应在较低温度(室温)下进行创造了有利 的热力学与动力学条件。由于高能球磨工艺的多样化,同 一合金体系,对于不同的研究者往往得到不同的结果,这 显然和不同的工艺条件有关。

      高能球磨技术最初主要用于制备氧化物弥散强化(ODS)的Ni基高温合金。美 国M除AI具N6C有00O良0公、好司M的MA抗A97氧556化4(F(N和e-i-2抗200腐CCr蚀r--00性.5.6能YY22,OO33同))已在时用腐还于蚀具F气有1氛8良战下好斗使的机用加的温工叶度性片可能及以。板超带过。1300℃,它

      Al基合金是航空工业上普遍使用的轻金属高比强合金。航空工业需要的新型 Al基合金通常的添加元素是Li和Mg,但加入元素量超过固溶度后将可能出现应力腐 蚀。高能球磨时造成的强制过饱和固溶可避免此缺陷。美国INCO公司研制的AL905XL 合 金 (Al-4%Mg-1.3%Li-1.1%C-0.4%O) 与 航 空 工 业 通 常 使 用 的 7075 - T73(美国牌号)相比,无需时效处理,刚度提高10%,而重量下降8%,韧性提高 15%,已被开发用于飞机、导弹的结构件。常规的Al-Mg合金虽具有高的抗腐蚀性, 但强度低。采用高能球磨技术可同时获得高强度及高抗蚀性。

      在飞行器的制造中一直追求轻质结构材料,一种重要的途径是使Ti与碱金属 或碱土金属合金化,如Ti与Mg和Li的合金化,形成钛基合金,显著降低了合金的 比重。由于这些金属的沸点还不及钛的熔点,很难由熔炼途径制取,而高能球磨 是制造这类合金的有效途径。已有的研究表明,高能球磨可制得纳米晶的Ti基合 金,文献报导的高能球磨纳米晶Ti基合金,对其性能还未见有报导,这是一个有 待开发的广阔领域。

      为了缓和热应力,采用组分连续变化结构,获得无明显界面结构的物性连续 变化的复合材料,用于航天飞机头部、发动机入气口等一些高温差部位,代替常 用的热障涂层和金属/陶瓷粘结材料。日本学者木村·博提出了一种制作梯度功能材 料的新方法-高能球磨/等离子体烧结法。先用高能球磨制备出高质量的TiAl非晶 粉末,再在一定的外加应力和温度梯度下,将FSZ(Fully Stablized ZrO2)和TiAl非 晶粉末进行等离子体烧结。由于在非晶TiAl基体中良好的粘性流动,烧结体完全 致密,最大硬度(25%FSZ/TiAl处)达1016Hv。

      金属间化合物的缺点是室温塑性过低,使其应用受到限制。晶粒细化是提高 任何金属间化合物塑性的有效方法。利用高能球磨制备金属间化合物,使其具有 超细组织,甚至达纳米晶,可望克服室温塑性差,改善室温加工性能。在极细的 晶粒下,某些金属间化合物可以超塑性成型,当要求高温强度时,可在成型后通 过热处理使晶粒长大。

      Al-Ti系合金在航空航天领域有着广泛的应用,它的纯组元熔点相差很大,用 高能球磨制备比熔炼法更优越。最近德国学者则针对TiAl金属间化合物的实用目 标,采用高能球磨和热等静压研制了完全致密的TiAl金属间化合物。F.H.Fores在 一综述性文献中指出,已有通过高能球磨技术使TiAl合金试样的室温延性达5%。 高能球磨为TiAl性能的改善提供了一个新的途径。可见,应用高能球磨技术将有 可能使TiAl系金属间化合物尽早走向实用化。

       纳米晶金属和合金是近年来发展起来的一种新型材料,是当今材料研究领域中的一大热 点,一般采用原子沉积法制备纳米晶材料由于其晶粒尺寸极小,界面组分占很大比重, 因而导致一系列特异的光、电、热和磁学及力学性能。近年来的研究表明,可通过高 能球磨合成纳米晶粉末,其形成纳米相通常是由很多纳米晶粒组成的具有微米量级直 径的颗粒。

       作为结构材料应用,将纳米晶粉末制备成块体材料时,首先遇到纳米晶材料的组织长 大问题。有限的研究报导中采用热轧或高压热固化技术对球磨生产的粉末进行加工, 已制备出Ti-Al-Nb系及Al3Fe金属间化合物的块状纳米晶材料,热加工后晶粒尺寸有所 增加,其块材的维氏硬度分别高达521及460Kg/m2,表现出优异的力学性能。其次,纳 米晶材料由于是一非平衡态材料,其在使用过程中,特别是在高温条件下使用,也存 在组织的稳定性问题,即如何使其优异的力学性能不会在使用过程中丧失。

      •一个可能的解决办法是采用复合纳米晶组 织。近期的研究表明高能球磨不单导致固 态合成反应和固态还原反应的发生,还可 发生固态复合反应,从而使其做为制备原 位生成复合材料的一种反应合成方法成为 可能,而且具备较大的灵活性。一个主要 研究思路就是利用高能球磨工艺制备固态 原位反应生成的纳米晶块体复合材料,以 图一举解决其制备和应用中的组织稳定性 问题

      用机械力活化法合成了纳米晶氮化铝,与通常氧化铝碳热还原反应合成法氮 化铝工艺相比,氮化铝合成温度大幅度降低,由1650℃以上降低至1300℃,反应 时间缩短,由常用的6~8h缩短到3h。研究了高能球磨对氧化铝碳热还原反应的 影响。发现:氧化铝经高能球磨活化后,碳热还原反应得到促进,氮化铝的开始 生成温度下降,如氧化铝经高能球磨活化40h,碳热还原反应合成氮化铝在 1100℃就可开始,在1300℃反应就可进行完全。认为球磨造成的晶粒细化及由显 微应变代表的晶格的不规则化是球磨活化促进碳热还原反应的主要原因。

      从合成制备方法看, Mg-Ni合金的制备方法有三种:高温熔炼法、固相扩散 法、机械合金化法。熔炼法由于Mg、Ni的熔点和蒸汽压相差较大比较困难,而且 熔炼所得的合金组织粗大,活化性很低,放电容量很小。固相扩散法比熔炼法要 求的条件温和,制备样品活性高。而高能球磨机械合金化法是近年来出现的一种 新的制备合金的方法,特别适用于Mg-Ni合金的制备,而且该法制备的合金电极 电化学性能特别优异,容量大、活性高。

      具有高电导和/或高热导的Cu基合金已在光学及电学领域得 到了广泛的应用,在某些特殊应用领域还需要一定的高温强度或 高温抗软化性能。

      通常用锻造+热处理方法来制备Cu-Cr和Cu-Zr合金。但是用 通常的方法却不易将氧化物颗粒弥散于Cu基体中。近年来用高能 球磨将元素或氧化物颗粒弥散分布于Cu基体中,已成功地制备出 保持高热导、高电导性能的高强度Cu基合金,如Cu-Mo、 Cu/Al2O3、Cu/ZrO2等。高能球磨既可控制基体成份、又可控制 氧化物弥散体的分散度,并集氧化物弥散强化及溶质强化的优点 于一体。由高能球磨制备的Cu/ZrO2复合材料,ZrO2颗粒间距细 至100nm之内,尺寸为20-50nm的ZrO2颗粒可有效地阻止合金在 加热过程中的晶粒长大,从而可稳定诸如晶界和位错等缺陷,具 有相当高的高温强度。

      为进一步提高强度和导电性,我们正在开展原位生成导电强 化相Mo2Si增强的Cu基复合材料。

      高能球磨技术作为开发应用新材料的有力工具, 彻底打破了传统的冶炼生产合金的方法,并可制备传 统冶炼及快速凝固方法都难以合成的、具有一系列独 特性能的各种新型合金,而且成本低,产量大,工艺 周期短。通过随后的热处理或热固化工艺还可获得一 系列大块稳态或亚稳态材料,工业化生产前景十分诱 人。

      今后除应继续大力加强高能球磨基础理论研究, 拓宽其研究范围外,更应充分利用高能球磨技术开发 实用新型材料。高能球磨制备的弥散强化高温合金和 高比强结构材料作为商用材料已广泛地应用于飞机发 动机的诸多部件上。开发航空航天、化工及汽车工业 中用于耐高温、抗氧化、耐腐蚀的恶劣环境下的轻质 新型结构材料,并实现工业化生产,高能球磨技术将 显示巨大的潜力和优势。

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