Потенциальные ресурсы механического легирования сплавов.

Результаты применения МА к различным материалам опубликованы в архивных журналах, а также в разных конференциях. По этой теме был организован ряд самостоятельных конференций. MA стала неотъемлемой частью трехгодичных международных конференций по быстро угасающим (RQ) металлам, начиная с RQ VI, проведенного в Монреале, Канада, в 1987 году. Эти конференции теперь повторно обозначаются как быстро угасающие и метастабильные материалы (RQMM), начиная с RQ-10 в Бангалоре, Индия, и их материалы содержатся в международном журнале Materials Science and Engineering A, опубликованном Elsevier. Кроме того, материалы Международных симпозиумов по метастабильным, механически сплавленным и нанокристаллическим материалам (ИСМАНАМ) содержат много работ по механическому легированию, и они регулярно публикуются на Форуме материаловедения (а также в виде специальных томов «Журнала метастабильных и Нанокристаллические материалы) издательствами Trans Tech. Недавно было опубликовано несколько книг по МА, а также по механохимической обработке. Литература по МА вплоть до 1994 года собрана вместе в аннотированной библиографии, опубликованной в 1995 году. Журнал International Journal of Mechanochemistry and Mechanical Alloying был запущен в 1994 году, но был недолговечным. Несколько обзоров также появились в течение последних 10 лет с упором на определенную тему. Тем не менее, настоящая книга представляет собой попытку представить все аспекты MA всесторонним и критическим образом в одном месте, а также представить потенциал и ограничения этого метода как инструмент неравновесной обработки и его текущие и будущие приложения.

На рис. 2.2 представлен рост ежегодных публикаций в области MA, а на рис. 2.3 представлен кумулятивный список публикаций в области MA. Можно отметить, что, как и во всех областях деятельности, деятельность в этой области в течение первых нескольких лет находилась на очень низком уровне и быстро развивалась с 1988 года. Если в течение календарного года в 1970 году было опубликовано всего семь документов, то в 1981 году их число увеличилось до 61, в 1988 году - до 214 и в 1993 году - до 522. Число опубликованных работ растет с каждым годом, и эта тенденция продолжается и сегодня. По оценкам, до сих пор в этой области было опубликовано более 7000 работ и что в настоящее время ежегодный объем публикаций превышает 500 документов. Интересно также отметить, что рост публикаций в области RSP, еще одного метода неравновесной обработки, введенный в 1960 году, показывает аналогичную тенденцию. Сравнение роста публикаций в этих двух областях (рисунок 2.4) позволяет предположить, что точка быстрого роста публикаций в области MA компенсируется примерно на 15 лет по сравнению с RSP. Соответственно, внезапное ускорение темпов публикаций началось в 1970-х годах для RSP и около 1988 года для MA.

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.