高能球磨制備納米晶金屬材料的研究進展

高能球磨制備納米晶金屬材料的研究進展

1高能球磨技術制備納米晶磁材料20世紀60年代末，benjamin等人。最早將高能球磨技術應用到磁性材料制備中的是德國西門子公司的Schultz最近幾年,采用高能球磨技術制備納米晶磁性材料的研究文獻大量涌現(xiàn),表明了材料工作者對該研究領域十分關注。為了對該研究領域有一個比較全面的了解,本文在對國內外有關高能球磨制備納米材料的原理和工藝的研究成果進行綜述的基礎上,介紹了采用該技術制備納米晶磁性材料的研究和進展。2金屬間化合物研究表明高能球磨可以制備出各類納米晶材料,如純金屬、固溶體、金屬間化合物和金屬陶瓷復合材料等。其工藝途徑主要有三條:一是通過高能球磨將大晶粒細化成為納米晶;二是非晶材料經(jīng)過高能球磨直接形成納米晶;三是先用高能球磨制備出非晶,然后將其晶化而得到納米晶。2.1晶粒細化至納米晶當對純金屬、合金進行高能球磨時,被研磨材料中產生大量的塑性變形并會發(fā)生加工硬化。從微觀角度來看,嚴重的塑性變形導致金屬晶體中位錯密度不斷增加,當密度達到一定程度時,位錯將發(fā)生多邊化,形成亞晶,隨后亞晶界演變成大角度晶界。這樣,逐漸使晶粒細化至納米晶。此外,材料在研磨介質的劇烈沖擊、摩擦等作用下發(fā)生不斷的塑性變形的同時,還會發(fā)生冷焊。當變形達到使材料發(fā)生加工硬化的程度,已冷焊的粉末會發(fā)生斷裂。隨著撞擊的不斷進行,上述變形、冷焊、斷裂的過程不斷重復,最終使金屬晶粒細化達到納米級。一般高能球磨可以容易地制得具有BCC(如Fe)和HCP(如Zr,Hf,Ru)結構的金屬納米晶;而對于具有FCC(如Al,Ni)結構的金屬,則很難通過高能球磨形成納米晶2.2撞擊產生的能量高能球磨過程中研磨介質對被研磨材料的劇烈撞擊會產生高能量,該能量以相當高的速率在材料中傳遞。研究表明高能球磨過程中,非晶態(tài)合金中不可避免地存在成分的不均勻區(qū)2.3非晶的形成和晶化自1980年代初期Koch等人2.3.1局部硬化-快速硬化機制最早關于高能球磨形成非晶的機制是Yermakov2.3.2機制的適用范圍SuryanarayanaSuryanarayana其中,t但是擴散機制的適用范圍仍然有限。近年來人們發(fā)現(xiàn)某些不具備負混合熱的合金系(如Si-Sn、Si-Zn、Cu-W、Fe-W等)和某些不具備異?？鞌U散的系統(tǒng)(如V-Zr),甚至純元素(如Si)均可通過高能球磨形成非晶2.3.3研磨納米晶材料Schwarz球磨得到非晶形態(tài)的產物后,繼續(xù)球磨雖然能有助于非晶的晶化,但同時也增加研磨體系的污染程度,因此,實際中人們往往通過退火等方式晶化處理得到納米晶材料。退火溫度一般根據(jù)材料的成分、相組成和最終的性能要求來確定。比如,在高能球磨制備納米晶雙相磁性材料過程中,晶化退火溫度一般控制在600~800℃2.4高能球磨中的機械化反應高能球磨過程中因磨球撞擊產生的機械能能夠誘發(fā)化學反應,從而導致材料的組織、結構和性能發(fā)生變化。有關研究結果認為,高能球磨中的化學反應過程主要有兩種:一種是放熱控制的快速自蔓延反應;另一種是擴散控制的漸進式反應。對許多具有較大放熱的反應,大都以自蔓延式反應進行;而對于有較小負混合熱的體系,則以漸進式完成2.4.1自我燃燒反應Schaffer2.4.2漸進式反應Mccormick席生岐等人3高能球磨工藝條件對高能球磨工藝的影響高能球磨過程十分復雜,眾多的研究表明,高能球磨的過程和最終產物與工藝條件有著密切的關系。其中一些重要的工藝條件有球磨介質、球料比、球磨氣氛、過程控制劑和溫升等。3.1特殊材料的制備研磨介質的材料對球磨結果有著十分重要的影響。常見的球磨介質有硬化鋼、工具鋼、硬化鉻鋼、回火鋼、不銹鋼、WC-Co和承軸鋼等,在制備一些特殊材料時也會用到紫銅、鈦、鈮、氧化鋯(ZrO球磨介質的尺寸會對球磨產物的最終組成造成一定的影響。如在球磨Ti-Al系3.2納米粒子的制備機理在高能球磨過程中,球料比是一個非常重要的因素,它決定了球磨過程中磨球對粉體所施加的機械撞擊力是否足夠引發(fā)晶粒的破碎和細化,從而達到納米級粒子。在某些金屬固溶體的制備中,它對難溶元素之間的溶解程度產生很大的影響。對于某些固態(tài)還原反應,如Al/CuO和Si/CuO體系,這種單個的碰撞機械力決定著能否引發(fā)化學反應,并且由機械碰撞作用產生的熱能否維持反應的繼續(xù)進行。一般來說,球料比越大,磨球碰撞的幾率也越大,使得在單位時間和單位體積內粉末可吸收的機械能越多,相應地達到同等球磨效果的球磨時間也就越短。例如Suryanarayana3.3空氣氣體研磨高能球磨過程中,粉末粒子急劇變小,產生大量的新鮮原子級表面。為了防止空氣對粉體的污染,一般需要對球磨罐抽真空并充入惰性保護氣體(如Ar)。但有時為了特殊的目的,也需要在特殊的氣體環(huán)境下研磨,例如當需要有相應的氫化物或氮化物生成時,可以在氫氣或氮氣的環(huán)境下研磨。Ogino等人3.4元間冷焊對晶粒的影響在高能球磨過程中一般需要添加適量的過程控制劑(PCA),以抑制反應物組元間的過分冷焊。PCA能夠降低粉末顆粒發(fā)生斷裂所需要的能量,更有利于粒子的細化,促進組織的細化過程。過程控制劑可以明顯提高出粉率,改善合金粉末的均勻性,但是會減緩機械合金化的過程,延緩了非晶相、亞穩(wěn)相的產生。Lee和Kwun3.5球磨溫度對固溶度的影響研究發(fā)現(xiàn),高能球磨過程中的溫度因素對球磨產物的最終組成有著很大的影響,溫度的高低直接影響著固溶度的范圍以及能否形成納米晶、準晶和非晶等亞穩(wěn)定化合物。一般情況下,在球磨過程中,高溫條件下材料的平均應力降低,而顆粒尺寸則會變大,固溶度亦會隨著球磨溫度的升高而降低。Qgino等人高能球磨過程中研磨介質在碰撞過程中產生的溫升是一個非常重要的參量,同時也是研究高能球磨過程中粉末發(fā)生一系列物理、化學現(xiàn)象的基礎。席生岐等人式中η為熱能轉化效率,C該模型和Maurice模型式中的K、σ通過分析(1)、(2)