Некоторые неравновесные методы обработки

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Некоторые неравновесные методы обработки……………………………………………………………………………3

1.1.1. Быстрая обработка затвердевания…………………………………………………………………………………………….3

1.1.2. Механическое легирование ……………………………………………………………………………………………………...4

1.1.3. Плазменная обработка……………………………………………………………………………………………………………….4

1.1.4. Осаждение паром……………………………………………………………………………………………………………………….4

1.1.5. Формовочное формование ……………………………………………………………………………………………………….4

ГЛАВА 2

2. ИСТОРИЧЕСКАЯ ПЕРСПЕКТИВА

2.1. Введение………………………………………………………………………………………………………………………………………..4

2.2. Развитие высокоэнергетического шарового помола………………………………………………………………….4

2.3. Потенциал механического сплава……………………………………………………………………………………………….6

2.4. Потенциальные ресурсы механической легирования сплавов………………………………………………….6

ГЛАВА 3

3. НОМЕНКЛАТУРА

3.1. Введение………………………………………………………………………………………………………………………………………..7

3.2. Механическое легирование………………………………………………………………………………………………………...7

3.3. Механическое измельчение…………………………………………………………………………………………………………7

3.4. Реакционное фрезерование…………………………………………………………………………………………………………8

3.5. Криомилинг……………………………………………………………………………………………………………………………………8

3.6. Фрезерование……………………………………………………………………………………………………………………………….9

3.7. Механически активированный отжиг………………………………………………………………………………………….9

3.8. Двойное механическое легирование………………………………………………………………………………………….9

3.9. Механически активированный самораспространяющийся высокотемпературный синтез…..10

3.10. Окислительно-измельчительное измельчение……………………………………………………………………….10

3.11. Механохимическая обработка………………………………………………………………………………………………....10

3.12. Прочие методы…………………………………………………………………………………………………………………………..11

3.12.1. Повторная холодная прокатка……………………………………………………………………………………………….11

3.12.2. Многослойная аморфизация………………………………………………………………………………………………….12

3.12.3. Тяжелая пластическая деформация………………………………………………………………………………………12

3.12.4. Накопительное скрепление рулонов…………………………………………………………………………………….13

ГЛАВА 4

4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ЛЕГИРОВАНИЯ 35

4.1. Введение 35

4.2. Сырье и материалы 36

4.3. Типы мельниц 37

4.3.1. Шейкерные мельницы Spex 37

4.3.2. Планетарные шаровые мельницы 39

4.3.3. Attritor Mills 41

4.3.4. Коммерческие мельницы 44

4.3.5. Новые проекты 47

4.4. Выбор GrindingMedium 55

ГЛАВА 5

5. ПЕРЕМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ФРЕЗЕ 59

5.1. Введение 59

5.2. Тип мельницы 60

5.3. MillingContainer 60

5.4. MillingEnergy / Скорость 61

5.5. MillingTime 64

5.6. GrindingMedium 64

5.7. Соотношение веса шарика к порошку 66

5.8. Степень наполнения флакона 68

5.9. Миллионная атмосфера 69

5.10. Агенты управления процессом 70

5.10.1. Характер СПС 70

5.10.2. Количество ППК 72

5.10.3. Строение измельченного порошка 74

5.10.4. Выбор СПС 75

5.11. Температура измельчения 76

ГЛАВА 6

6. МЕХАНИЗМ ЛЕГИРОВАНИЯ 83

6.1. Введение 83

6.2. Стыковые столкновения с шаром и порошком 83

6.3. Различные этапы обработки 84

6.3.1. Ранняя стадия обработки 85

6.3.2. Промежуточный этап обработки 85

6.3.3. Окончательный этап обработки 87

6.4. Эволюция размера частиц 87

6.5. Вязкопрофильные компоненты 89

6.6. Компоненты с вкрапленностью и вязкостью 91

6.7. Хрупко-хрупкие компоненты 92

ГЛАВА 7

7. ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ПОРОШКОВ 95

7.1. Введение 95

7.2. Размер и форма 96

Глава 1

Некоторые неравновесные методы обработки

За последние несколько десятилетий был разработан ряд методов неравновесной обработки для синтеза новых и усовершенствованных материалов. Сейчас вкратце опишем некоторые из различных методов неравновесной обработки, которые стали популярными в последние годы.

Механическое легирование

Механическое легирование, являющееся предметом данной книги, представляет собой технологию порошковой обработки, разработанную в середине 1960-х годов Джоном Бенджамином для производства суперсплавов на основе оксидной дисперсии оксида (ODS) для применения в газовых турбинах. Впоследствии было осознано, что механическое легирование можно также использовать для синтеза разнообразных как равновесных, так и неравновесных материалов при комнатной температуре и начиная с смешанных элементарных порошков. Этот метод привлек внимание большого числа исследователей в течение последних 15-20 лет или около того. Обработка включает в себя повторную холодную сварку, разрывание и повторную сварку частиц порошка в высокоэнергетической шаровой мельнице, приводящей к образованию фаз сплава. Этот метод также способен синтезировать множество равновесных и неравновесных фаз сплава, начиная с предварительно обработанных порошков. Фактически, все неравновесные эффекты, достигнутые RSP металлических расплавов, наблюдались также в механически легированных порошках. Следовательно, интерес к этой технике постоянно растет. Механическое легирование в настоящее время является одним из самых популярных методов неравновесной обработки.

Обработка плазмой

Высокая температура, высокая энтальпия и быстрая скорость закалки, связанные с плазменной обработкой, предоставляют неограниченный потенциал для синтеза новых и усовершенствованных материалов с улучшенными свойствами. Скорости гашения, связанные с этим методом, обычно находятся в диапазоне 105 -107 К / с. Плазменные процессы обычно представляют собой одноступенчатые процессы с возможностью обработки больших объемов в небольших объемах реакторов в относительно короткие сроки обработки. Этот метод был использован для синтеза различных сплавов, интерметаллидов и тугоплавких соединений.

Осаждение паром.

Методы осаждения паров на протяжении многих десятилетий используются для получения неравновесных фаз, в том числе аморфных. Скорость превращения пара в твердое вещество очень велика и может достигать значений около 1012 К / с. В этих условиях было создано много различных типов неравновесных фаз. Вариации этого метода, включая физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD), регулярно используются для изучения формирования и характеристик как стабильных, так и метастабильных фаз, в дополнение к производству покрытий для декоративных целей, а также для повышения износа и стойкостью к окислению.

Формовочное формование.

При формовании распылением высокоэнергетические газовые струи сталкиваются с потоком расплавленного металлического материала и расщепляют расплав на небольшие нерегулярные связки. Они почти мгновенно превращаются в сферические капли, которые затем охлаждаются газом атомизации, что облегчает перенос импульса и заставляет капли остывать и затвердевать во время их полета к подложке. Осаждение одного слоя металла над другим приводит к формированию слоистой структуры ''splat'', аналогичной структуре, полученной в технике ''gun'' быстрого затвердевания металлических расплавов. В этом отношении типы микроструктуры и природы фаз, образующихся при распылении, несколько схожи с типами, полученными на нижнем конце скорости охлаждения RSP.

Существует несколько других неравновесных методов обработки, таких как лазерная обработка, ионное перемешивание, синтез горения и применение высоких давлений. Но из-за ограниченности пространства мы не будем обсуждать эти способы получения неравновесных эффектов.

Глава 2

Введение

Механическое легирование (МА) представляет собой технологию порошковой обработки, которая позволяет получать однородные материалы, начиная со смешенных смесей элементарных порошков. Джон С. Беньямин и его коллеги из исследовательской лаборатории Paul D. Merica из Международной никелевой компании (INCO) разработали этот процесс в 1966 году. Этот метод был результатом длительного поиска для производства суперсплава на основе никеля для газотурбинных установок, который сочетают высокотемпературную прочность дисперсии оксида и прочность промежуточной температуры осадка gV. Требуемая стойкость к коррозии и окислению также была включена в сплав с помощью подходящих легирующих добавок. Бенджамин обобщил историческую предысторию процесса и справочную работу, которая привела к развитию настоящего процесса.

Глава 3

Введение

Синтез и разработка новых фаз сплавов механическими методами [с помощью методов механического сплавления (МА)] существует уже более четырех десятилетий. В течение этого периода возникло несколько новых версий первоначального процесса механического сплавления, разработанных Бенджамином. Следовательно, различные процессы были обозначены по-разному, и было бы полезно иметь четкое знание и понимание различных терминов и сокращений, используемых в литературе. Это поможет в четкой идентификации фактического процесса, используемого при синтезе материала.

Механическое легирование

Механическое легирование является общим термином для обработки металлических порошков в высокоэнергетических шаровых мельницах. Однако в зависимости от состояния исходной смеси порошков и применяемых этапов обработки в литературе по порошковой металлургии используются разные термины. Два разных термина наиболее часто используются для описания обработки частиц порошка в высокоэнергетических шаровых мельницах. Механическое легирование описывает процесс, когда смеси порошков (различных металлов или сплавов / соединений) измельчаются вместе. Таким образом, если порошки из чистых металлов А и В размалывают вместе для получения твердого раствора (либо равновесного, либо перенасыщенного), интерметаллической или аморфной фазы, этот процесс называют МА. В этом процессе участвует процесс переноса материала для получения гомогенного сплава.

Механическое измельчение

Когда порошок однородной (часто стехиометрического) состава, такие как чистые металлы, интерметаллиды, или prealloyed порошок, измельченный в высокоэнергетической шаровой мельнице и перемещения материалов не требуется для гомогенизации, то процесс получил название механического измельчения (мм). Следует отметить, что для смеси двух интерметаллидов обрабатывается, а затем происходит легирование, это будет называться мА, потому что материал передачи. Однако, если чистого металла или интерметаллида обрабатывается только для уменьшения частиц (или зерна) размер и увеличить площадь поверхности, то это будет называться мм, потому что пересып не участвует. Разрушение дальнего порядка в интерметаллидах для получения неупорядоченных интерметаллида (твердый раствор) или аморфной фазы был передан в качестве механического разупорядочения (МД). Преимущество мм/МД над мА заключается в том, что поскольку порошки уже сплавили, а лишь снижение размера частиц и/или других преобразований должны быть вызвано механическим способом, время, необходимое для обработки коротка. Например, мм требует половину времени, необходимого для мА для достижения того же эффекта. На самом деле, время, необходимое для достижения той же Конституции может быть уменьшен на коэффициент 10, когда prealloyed Al75Ti25 порошок был использован, а не смешанных стихий Аль-ти порошковой смеси. Если твердый раствор образуется в течение 5 ч, когда один начинал с prealloyed порошки, потребовалось более 50 сек для одной и той же фазе, будут создаваться на мА смешанного элементарных порошков. Условия фрезерования были идентичны в обоих случаях. Дополнительным преимуществом мм над мА порошков мм, что уменьшает окисление составных порошков, связанные с сокращение времени обработки. Некоторые исследователи ссылались на мм в качестве механического измельчения (мг). После ‘шлифовки’, как правило, рассматриваться в качестве абразивной обработке процесс, который включает, главным образом, поперечных сил и стружкообразования, термин ‘гурт’ является предпочтительным, чтобы включать более сложные трехосный, возможно, отчасти гидростатического, стрессовых состояниях, которые могут возникнуть в шаровой мельнице порошков.

Реакционное фрезерование

Реакционное фрезерование (RM), впервые разработанное Jangg et al., является процессом МА, сопровождаемым твердотельной реакцией. В этом процессе порошок измельчается без помощи какого-либо регулятора процесса (см. Главу 5 для его работы во время измельчения) для получения тонких дисперсий оксидов и карбидов в алюминии. Дисперсия карбидов достигается добавлением лампы черного или графита во время фрезерования алюминия. Регулирование содержания кислорода путем тщательного контроля измельчающей атмосферы (кислорода, аргона, азота, воздуха и т. Д.) Приводит к получению оксидов. Таким образом, конечный продукт измельчения содержит дисперсию Al4C3 и Al2O3 в алюминиевой матрице, и этим сплавам дается торговое наименование DISPAL. Фрезерование металлических порошков в присутствии реакционноспособных твердых веществ / жидкостей / газов (что позволяет проводить химическую реакцию) в настоящее время регулярно проводится для синтеза оксидов, нитридов и карбидов металлов.

Таким образом, измельчение титана в атмосфере азота привело к получению нитрида титана. Аналогичным образом было получено несколько других соединений. Фрезерование вольфрама с углеродом (графитом) привело к получению карбида вольфрама. Фрезерование металлических порошков с бором привело к получению боридов, например TiB2. Эти оксиды, карбиды, бориды или нитриды могут затем быть включены в матрицу сплава, обеспечивая дополнительную прочность и высокотемпературную стабильность.

Криомирование

Другой способ фрезерования, который все чаще используется в настоящее время, - криомолирование, при котором операцию измельчения проводят при криогенных (очень низких) температурах и / или размалывание материалов осуществляется в криогенной среде, такой как жидкий азот. В этом процессе сосуд охлаждается непрерывным потоком жидкого азота через рубашку «водяного охлаждения» мельницы. Кроме того, или, альтернативно, жидкий азот может быть введен в саму фрезерную камеру в течение всего цикла. После завершения размалывания порошок удаляется из мельницы в виде суспензии и переносится в бардачок с сухим аргоном. Когда жидкий азот испаряется, остаток измельченного порошка остается позади.

Первоначальной целью криомолирования было сплавление Al2O3 в алюминиевую матрицу. Измерение механических свойств материалов с горячим прессованием и обжатием показало, что прочность композита не зависит от содержания Al2O3. Однако прочность была связана с тонкой дисперсией частиц оксинитрида алюминия. Обнаружено, что эти частицы образуются in situ в процессе измельчения путем коадсорбции азота и кислорода на чистых алюминиевых поверхностях. Во время последующего отжига механически запертые азот и кислород взаимодействовали с алюминием с образованием частиц Al (O, N), которые обычно имеют диаметр 2-10 нм. Сообщалось, что эти частицы очень эффективны для ингибирования роста зерен в алюминиевой матрице, в результате чего криомоллированные сплавы имеют типичный размер зерен 50-300 нм, и зерна остаются стабильными даже при длительном отжиге при высоких температурах.

Было отмечено, что качество порошка было низким, а урожайность низкая при проведении криомолирования в стандартном аттриторе типа Сегвари. Кроме того, некоторые из возникших проблем были вызваны образованием мертвых зон в резервуаре, чрезмерными потерями порошка из-за испарения жидкого азота и регулированием потока, чрезмерным износом уплотнения, заклиниванием рычагов перемешивания и замораживанием устройства. Айкин и Юхас модифицировали аттритор, чтобы минимизировать вышеуказанные проблемы и уменьшить поглощение кислорода. Эти модификации улучшали свойства криолизованного продукта, включая однородность порошка. Они показали, что при правильном выборе параметров процесса можно изготавливать материалы с нужным содержанием AlN в порошке.

Фрезерование

Фрезерование стержней - это метод, разработанный в Японии, в основном для уменьшения загрязнения порошком в процессе обработки. В этом процессе измельчающая среда имеет форму стержней, а не сферических шариков. В обычной шаровой мельнице ударные силы царапают поверхности измельчающей среды, а обломки измельчающей среды загрязняют порошок, измельченный. С другой стороны, если преобладают сдвиговые усилия, они более эффективны при замешивании порошкообразных смесей, и полученный порошок значительно менее загрязнен. Для достижения этого минимизированного загрязнения шарики были заменены длинными стержнями в стержневой мельнице, поскольку длинные стержни, вращающиеся в цилиндрическом флаконе, преимущественно оказывают сдвиговые усилия на материал. Еще одно преимущество, о котором сообщалось для порошкообразных измельченных порошков, состоит в том, что уровень загрязнения от измельчающей среды намного меньше, чем уровень, полученный для порошка, измельченного в обычной шаровой мельнице со сферическими шариками. Например, сообщалось, что загрязнение железом порошка Al30Ta70, механически легированного в течение 400 часов, составляло 16 ат.% В шаровой мельнице, по сравнению с только около 5 ат.% В стержневой мельнице.

Также сообщалось, что степень агломерации частиц порошка меньше при измельчении стержней, что приводит к меньшим средним диаметрам. Кроме того, последующий распад тонких порошков на более поздних стадиях измельчения протекает гораздо быстрее, что приводит к образованию тонких порошков с узким распределением по размерам.

Механохимическая обработка

Механохимическая обработка (MCP) или механохимический синтез - это термин, применяемый для обработки порошка, при котором химические реакции и фазовые превращения происходят во время измельчения из-за применения механической энергии. Важной особенностью процесса является то, что пластическая деформация и химические процессы происходят почти одновременно. Этот процесс имеет долгую историю с первой публикацией, относящейся к 1892 году. Механохимические реакции могут привести к синтезу новых материалов, восстановлению / окислению, обменным реакциям, разложению соединений и фазовым превращениям как в органических, так и неорганических твердых веществах. Полученные таким образом материалы уже нашли применение в таких областях, как материалы для хранения водорода, газопоглотители, удобрения и катализаторы, и этот метод стал большим усилием в общей области механического легирования и фрезерования. Фактически, серия конференций регулярно проводится по этому аспекту, и четвертый в этой серии был проведен 7-11 сентября 2003 года в Брауншвейге, Германия.

Недавним развитием в этой широкой области МКП материалов является синтез неорганических соединений на основе использования твердых кислот, оснований, гидратированных соединений, кристаллических гидратов и оснований и кислотных солей в качестве сырья. Этот процесс получил название мягкого механохимического синтеза. Напротив, этот процесс будет называться твердым механохимическим синтезом, если в качестве исходных материалов используются безводные оксиды. Метод мягкого механохимического синтеза был использован для синтеза ряда нанокристаллических оксидов, таких как ZrTiO4, Al2TiO5 и ZrSiO4. Размер частиц, полученных этим способом, находится в диапазоне нескольких нанометров и близок к размеру, полученному золь-гель методом. Например, размер частиц ZrTiO4, полученный мягким механохимическим синтезом, составляет 12 нм, в то время как полученный золь-гель процессом составляет 14 нм.

Другие методы

В последние годы было разработано несколько новых методов для получения материалов в неравновесном состоянии. Большинство этих методов дают эффекты, очень похожие на эффекты, полученные в механически легированных порошках. Основное отличие заключается в том, что, хотя МА производит материал в порошкообразной форме, большинство из этих новых методов связано с сыпучими материалами. Еще одно отличие состоит в том, что эти новые способы фокусируются на производстве нанокристаллических и аморфных материалов с учетом их новизны и потенциальных применений. Общей темой всех этих методов является то, что в них участвует тяжелая пластическая деформация, за исключением случая многослойной аморфизации. Тем не менее, этот метод включен сюда, потому что он так похож на MA при производстве аморфных сплавов и других неравновесных фаз. Быстрая обработка затвердевания (RSP) является другим методом получения неравновесных сплавов, а сравнение результатов, полученных RSP и MA, дано в последующих главах. Некоторые из этих новых методов (отличных от RSP) будут кратко описаны ниже.

Повторная холодная прокатка

Повторная холодная прокатка приводит к эффектам, очень похожим на эффекты MA. Как будет показано ниже, МА приводит к повторной прокатке и отгибанию отдельных частиц пластичного металлического порошка. Таким образом, если мы рассмотрим два металла А и В, и если предположить, что стек этих двух металлов (биметаллический слой) имеет толщину do, то прокатка этого пакета за один проход уменьшает толщину, чтобы сделать? (1 / a), где a - величина, обратная уменьшению толщины за один проход. Последующие проходы прокатки дополнительно уменьшают толщину. После n проходов толщина биметаллического слоя уменьшается, чтобы сделать? (1 / a) n. Это схематически показано на рисунке 3.2. Фактический процесс включает заполнение смеси элементарных порошков в трубу из нержавеющей стали внешним диаметром 20 мм и внутренним диаметром 18 мм. Затем тубу, содержащую порошок, прессуют до толщины 8 мм гидравлическим прессом, а затем подвергают холодной прокатке до толщины 0,5 мм. Толщина образца после удаления нержавеющей оболочки составляет около 0,2 мм. Прокатанный образец снова упаковывают в трубку из нержавеющей стали такого же размера, прессуют и прокатывают аналогичным образом. Процесс повторяется до 30 раз. На рис. 3.3 показана схема процесса. Показано, что пересыщенные твердые растворы могут быть получены в образцах Ag-70 на образцах% Cu как методом МА, так и повторными методами холодной прокатки, предполагая, что оба метода дают аналогичные типы метастабильных фаз.

Поскольку в результате повторения простого детерминированного процесса возникает множество беспорядков (хаоса), процесс MA также может быть описан с точки зрения философии, управляющей возникновением хаоса в картографировании, сохраняющем площадь. Появление уточненных микроструктур во время МА может быть легко объяснено с использованием этого подхода. Было обнаружено, что небольшое отклонение от точного линейного картирования создает, по-видимому, более реалистичные структуры МА.

Вместо того, чтобы набивать порошки в трубку из нержавеющей стали, можно также брать тонкие фольги из составляющих металлов, складывать их попеременно и многократно нажимать их. В качестве альтернативы, можно также принимать порошковые смеси, многократно нажимать их, разбивать на мелкие кусочки и повторять процесс. В этих случаях также были получены метастабильные структуры, подобные тем, которые были получены с помощью обычного МА. На рисунке 3.4 показаны схематические виды повторного прессования слоистых тонких пленок и порошков.

Многослойная аморфизация

Аморфные фазы могут быть синтезированы твердофазной реакцией между чистыми пленками поликристаллического металла. Это явление опять-таки похоже на описанный выше повторный процесс холодной прокатки (в котором сообщалось о твердом растворе), а также на то, что в МА, за исключением того, что отклонение от равновесия довольно обширно. Для образования аморфной фазы в этом методе должно выполняться два условия. Один из них заключается в том, что один из видов должен быть быстрым диффузором в другом, а второй - что сплавы должны иметь большую отрицательную теплоту смешения, обеспечивающую необходимую движущую силу для образования аморфной фазы. Процесс состоит в том, что в стопке (при тесном контакте друг с другом) чередуются слои составных металлов и отжигаются при относительно низкой температуре. Вышеприведенные авторы показали, что сплавы Au1xLax в диапазоне состава 0,3 В x V 0,5 могут быть аморфизованы путем твердофазной интердиффузии чистых кристаллических тонких пленок Au и La путем отжига их при температурах 50-80 ° С. Подобные результаты были описаны позже в ряде других систем сплавов.

Глава 4

Введение

Процесс механического легирования (МА) начинается со смешивания порошков в желаемом соотношении и загрузки порошковой смеси в мельницу вместе с измельчающей средой (как правило, стальными шарами). Иногда для предотвращения или сведения к минимуму чрезмерной холодной сварки частиц порошка между собой и / или в контейнер для измельчения и измельчающую среду добавляют агент для контроля технологического процесса (PCA). Эта смесь (с или без PCA) затем измельчается в течение необходимого периода времени до достижения устойчивого состояния. На этой стадии происходит легирование, и состав каждой порошкообразной частицы является таким же, как доля элементов в исходной смеси порошков. Однако при механическом фрезеровании (ММ) легирование не требуется (поскольку начинка начинается с предварительно обработанных порошков или материалов с однородным составом по всей длине), но должно выполняться только уточнение частиц / зерен и / или некоторые фазовые превращения. Затем измельченный порошок объединяют в объемную форму и затем подвергают термической обработке для получения требуемой микроструктуры и свойств. На рис. 4.1 схематически показаны различные этапы, связанные с приготовлением компонента, начиная с порошков, входящих в состав, с помощью процесса МА. Таким образом, важными компонентами процесса MA являются сырьевые материалы, мельница и переменные процесса. Далее мы обсудим различные параметры, связанные с надлежащим подбором сырья и описанием различных типов мельниц, доступных для проведения исследований MA / MM. Также представлено краткое описание процесса отбора шлифовальных сред. Роль переменных процесса во время MA в достижении желаемой конституции в конечном продукте обсуждается отдельно в главе 5.

Сырьевые материалы

Сырьевыми материалами, используемыми для МА, являются широко доступные коммерчески чистые порошки, размеры частиц которых находятся в диапазоне 1-200 мкм. Однако размер частиц порошка не очень критичен, за исключением того, что он должен быть меньше размера шлифовального шарика. Это связано с тем, что размер частиц порошка экспоненциально уменьшается со временем измельчения и достигает небольшого значения в несколько микрометров только после короткого периода (обычно нескольких минут) измельчения.

Сырьевые порошки попадают в широкие категории чистых металлов, искусственных сплавов, предварительно обработанных порошков и огнеупорных соединений. Содержание кислорода в коммерчески чистых металлических порошках составляет от 0,05 до 2 мас.%. Поэтому, если вы заинтересованы в изучении фазовых превращений в измельченных порошках, для исследований необходимо выбрать достаточно высокочистые порошки. Это важно, поскольку в большинстве случаев характер и количество примесей в системе определяет тип образующейся конечной фазы, химическое строение сплава и кинетику превращений. Сырьевые порошки различной чистоты и размеров могут быть получены от стандартных поставщиков, таких как Goodfellow Metals, Alfa Aesar и так далее.

Дисперсионно-упрочненные материалы обычно содержат добавки оксидов, карбидов и нитридов. Наиболее распространены оксиды, и эти сплавы известны как материалы с повышенной оксидной дисперсией (ODS). В первые дни MA (1970-е годы) порошковый заряд для МА состоял из по меньшей мере 15 об.% Вязкого сжимаемого деформируемого металлического порошка в качестве носителя или связующего. Однако в последние годы смеси полностью хрупких материалов были успешно измельчены, что привело к образованию сплавов. Таким образом, более раннее требование наличия пластичного металлического порошка во время измельчения больше не требуется. Следовательно, вязкопластичные, пластично-хрупкие и хрупко-хрупкие порошковые смеси были измельчены для получения новых сплавов. В последнее время также были измельчены смеси твердых частиц порошка и жидкостей. В этих случаях жидкая фаза участвует в легировании порошковыми частицами. Например, медь (твердая) и ртутная (жидкая) были измельчены вместе при комнатной температуре для получения твердых растворов Cu-Hg. Этот процесс следует отличать от криомолирования (см. Раздел 3.5 в главе 3), где для снижения температуры размола используется криогенная среда, такая как жидкий азот.

Иногда металлические порошковые смеси измельчают в жидкой среде (здесь жидкость только облегчает измельчение, но не участвует в легировании порошком), и это называется мокрым шлифованием; Если не задействована никакая жидкость, процесс называется сухого шлифования. Криомиллинг также представляет собой мокрое измельчение, за исключением того, что используемая жидкость поддерживается при криогенных температурах и обычно взаимодействует с измельченным порошком. Сообщается, что мокрое измельчение является более подходящим методом, чем сухое измельчение, для получения более тонко измельченных продуктов, поскольку молекулы растворителя адсорбируются на вновь образованных поверхностях частиц и снижают их поверхностную энергию. Менее агломерированное состояние частиц порошка во влажном состоянии также является полезным фактором. Сообщается, что скорость аморфизации быстрее во влажном шлифовании, чем при сухом шлифовании. Однако недостатком мокрого измельчения является повышенное загрязнение измельченного порошка. Таким образом, большинство операций MA / MM были выполнены сухими. Кроме того, сухое измельчение более эффективно, чем мокрое измельчение, в некоторых случаях, например, во время разложения Cu (OH) 2 -Cu при механической активации.

Типы мельниц

Различные типы высокоэнергетического фрезерного оборудования используются для производства механически легированных / измельченных порошков. Они отличаются конструкцией, мощностью, эффективностью фрезерования и дополнительными устройствами для охлаждения, нагрева и т. Д. Краткое описание различных мельниц, доступных для MA, можно найти в работах 10 и 11. Хотя несколько высокоэнергетических мельниц коммерчески доступны и могут быть легко приобретены для стандартных операций фрезерования, исследователи также разработали специальные мельницы для конкретных целей. В следующих разделах описаны некоторые из наиболее распространенных в настоящее время мельниц для MA / MM, которые также легко доступны на рынке.

Шейкерные мельницы Spex

Мельницы-шейкеры, такие как мельницы SPEX (рис. 4.2), которые прокатывают около 10-20 г порошка за один раз, наиболее часто используются для лабораторных исследований и для целей скрининга сплава. Эти мельницы производятся фирмой SPEX CertPrep (203 Norcross Avenue, Metuchen, NJ 08840, тел .: 1-800-522-7739 или 732-549-7144; www.spexcsp.com). В обычной версии мельницы имеется один флакон, содержащий образец порошка и мелющие шарики, закрепленный в зажиме и энергично раскачивающийся назад и вперед несколько тысяч раз в минуту. Движение взад-вперед встряхивания сочетается с боковыми движениями концов флакона, так что флакон, по-видимому, описывает фигуру 8 или символ бесконечности при ее движении. При каждом колебании пузырька шарики воздействуют на образец и на конец флакона, как размалывая, так и перемешивая образец. Из-за амплитуды (около 5 см) и скорости (около 1200 об / мин) движения зажима скорости мяча высоки (порядка 5 м / с), и, следовательно, сила удара мяча необычайно велика. Поэтому эти мельницы можно рассматривать как высокоэнергетические сорта.

В новейшей конструкции мельниц SPEX предусмотрена возможность одновременного измельчения порошка в двух пробирках для увеличения производительности. Эта машина включает принудительное охлаждение, что позволяет увеличить время фрезерования. Для мельниц SPEX доступны разнообразные материалы для флаконов; К ним относятся закаленная сталь, оксид алюминия, карбид вольфрама, оксид циркония, нержавеющая сталь, нитрид кремния, агат, пластик и метакрилат. Типичный пример флакона карбида вольфрама, прокладки и шаров помола для мельницы SPEX показан на рисунке 4.3. Заводы SPEX являются наиболее часто используемыми, и большая часть исследований фундаментальных аспектов МА была проведена с использованием некоторой версии этих мельниц.

Заводы SPEX имеют определенные недостатки. Во-первых, шары могут вращаться вокруг конца флакона, а не попадать в него; Это уменьшает интенсивность фрезерования. Во-вторых, порошок может собираться в глазах «8» и оставаться необработанным. Наконец, округлый флакон довольно тяжелый; Флакон с плоским концом на 30% легче, а удары на концах флакона доминируют над измельчающим действием. Однако некоторые порошки могут собираться по краям и оставаться необработанными.

Планетарные шаровые мельницы

Другой популярной мельницей для проведения экспериментов с МА является планетарная шаровая мельница (называемая Pulverisette), в которой несколько сотен граммов порошка можно фрезеровать одновременно (рис.4.4). Они производятся Fritsch GmbH (Industriestrahe 8, D-55743 Idar-Oberstein, Германия, + 49-6784-70 146, www.FRITSCH.de) и продаются компанией Gilson Co. в Соединенных Штатах и ​​Канаде (PO Box 200, Lewis Center, OH 43085-0677, USA, Tel: 1-800-444-1508 или 740-548-7298; www.globalgilson.com). Планетарная шаровая мельница обязана своим именем планетарному движению своих пузырьков. Они расположены на вращающемся опорном диске, и специальный приводной механизм заставляет их вращаться вокруг своих осей. Центробежная сила, создаваемая флаконами, вращающимися вокруг их собственных осей и вращающимися опорными дисками, воздействует на содержимое пузырька, состоящего из материала, который нужно измельчить, и измельчающих шаров. Поскольку флаконы и поддерживающий диск вращаются в противоположных направлениях, центробежные силы попеременно действуют в одинаковом и противоположном направлениях. Это приводит к тому, что шлифовальные шарики стекают вниз по внутренней стенке флакона - эффект трения, а затем измельчаемый материал и шарики размалывания поднимаются и свободно перемещаются через внутреннюю камеру флакона и сталкиваются с противоположной внутренней стенкой - Ударный эффект (рис.4.5). Мелящие шары, воздействующие друг на друга, значительно усиливают ударный эффект.

Мелющие шарики в планетарных мельницах приобретают гораздо большую энергию удара, чем это возможно при использовании простых чистых гравитационных или центробежных мельниц. Полученная энергия удара зависит от скорости планетарной мельницы и может достигать примерно 20 раз ускорения Земли. По мере уменьшения скорости измельчающие шарики теряют энергию удара, а при достаточно низкой энергии не происходит никакого измельчения; В образце происходит только перемешивание.

Хотя в ранних версиях скорость вращения диска и скорости вращения флажка не контролировались независимо, это возможно сделать в современных версиях планетарных шаровых мельниц Fritsch. В одной мельнице могут быть две (Pulverisette 5 или 7) или четыре (Pulverisette 5) фрезерные станции. Недавно была также разработана одностанционная мельница (Pulverisette 6). Доступны три разных раз<