机械合金化法在材料制备中的应用研究..docVIP

新材料技术读书报告 （机械合金化法在材料制备中的应用研究） 学生姓名 __________________________________ 学生班级 __________________________________ 学生学号 __________________________________ 手机号码 __________________________________ 机械合金化法（MA）在材料制备中的应用研究 摘要： 20世纪中叶，美国国际镍公司的本杰明（Benjamin）等人研制成功的一种新的制粉技术：将金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，导致粉末颗粒中原子扩散，从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。这种工艺最初被称之为“球磨混合”，但是INCO（国际镍公司）的专利代理律师Mr. Ewan C. MacQueen在第一个专利申请中将此种工艺称之为“机械合金化”（Mechanical Alloying）。20世纪70年代初期机械合金化技术首先被用于制备弥散强化高温合金，80年代国际镍公司和日本金属材料技术研究所等又推出第二代弥散强化高温合金，如MA754的改型材料MA758。此后，该技术得到了发展，由黑色金属扩大到有色金属。机械合金化技术在铜基、铁基和 铝基弥散强化合金上也获得了应用。一些用传统技术难以制备的新材料，也使用机械合金化技术来合成：对于熔点相差悬殊，液相和国相都不互榕的材料，很难使用传统熔炼技术来制造均匀的合金，而机械合金化可以实现两相或多相不相溶成分的均匀混合。纳米晶材料的制备是材料科学领域的研究热点之一，由于其具有显著的体积效应、表面效应和界面效应，因此引起材料在力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等特性上的变化。传统制备纳米晶材料的方法主要有固相法、液相法和气相法三大类，Thompson等人在1987年首先报导了通过机械合金化法合成出了纳米晶材料，1988年日本京都大学的新宫教授等人系统地报导了采用高能球磨法制备Al-Fe纳米晶材料的工作，为纳米晶材料的制备和应用找出了一条实用化的途径这是机械合金化技术最引人注目的应用领域，也是在制备非晶体、准晶体、过饱和回熔体及纳米晶材料的合适工艺。机械合金化已经成为材料制备技术中的重要方法之一。到目前 为止已成功制备出了弥散强化合金、磁性材料、商植材料、贮氢材料、过饱和圃熔体、复合材 料、超导材料、非品、准晶和纳米晶等。 正文 机械合金化技术 机械合金化（Mechanical Alloying，简称MA）是指金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂，导致粉末颗粒中原子扩散，从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。机械合金化粉末并非像金属或合金熔铸后形成的合金材料那样，各组元之间充分达到原子间结合，形成均匀的固溶体或化合物。在大多数情况下，在有限的球磨时间内仅仅使各组元在那些相接触的点、线和面上达到或趋近原子级距离，并且最终得到的只是各组元分布十分均匀的混合物或复合物。当球磨时间非常长时，在某些体系中也可通过固态扩散，使各组元达到原子间结合而形成合金或化合物。 1.1 机械合金化原理 目前公认机械合金化的反应机制，主要有两种方式： 一是通过原子扩散逐渐实现合金化；在球磨过程中粉末颗粒在球磨罐中受到高能球的碰撞、挤压，颗粒发生严重的塑性变形、断裂和冷焊，粉末被不断细化，新鲜未反应的表面不断地暴露出来，晶体逐渐被细化形成层状结构，粉末通过新鲜表面而结合在一起。这显著增加了原子反应的接触面积，缩短了原子的扩散距离，增大了扩散系数。多数合金体系的MA形成过程是受扩散控制的，因为MA 图1-1 高能球磨机示意图 使混合粉末在该过程中产生高密度的晶体缺陷和大量扩散偶，在自由能的驱动下，由晶体的自由表面、晶界和晶格上的原子扩散而逐渐形核长，直至耗尽组元粉末，形成合金。如A1—Zn、A1—Cu、A1—Nb 等体系的机械合金化过程就是按照这种方式进行的。 二是爆炸反应；粉末球磨一段时间后，接着在很短的时间内发生合金化反应放出大量的热形成合金，这种机制可称为爆炸反应（或称为高温自蔓延反应SHS、燃烧合成反应或自驱动反应）。Ni50A150粉末的机械合金化、Mo—Si、Ti—C和NiA1/ TiC等合金系中都观察到同样的反应现象。粉末在球磨开始阶段发生变形、断裂和冷焊作用，粉末粒子被不断的细化。能量在粉末中的‘沉积’和接触面的大量增加以及粉末的细化为爆炸反应提供了条件。这可以看成燃烧反应的孕育过程，在此期间无化合物生成，但为反应的发生创造了条件。一旦粉末