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機械合金化的發展歷史

1).機械合金化銑削技術最早是由美國國際鎳公司的本傑明等人在1969左右開發的。這壹過程最初被稱為“球磨混合”,但在第壹份專利申請中,INCO(國際鎳公司)的專利代理人伊萬·c·麥克奎恩(Ewan C. MacQueen)先生將這壹過程稱為“機械合金化”。

2).20世紀70年代初,機械合金化技術首次用於制備彌散強化高溫合金。開發的第壹個合金品牌是ma 753(Ni75-Cr20-c 0.05-al 1.5-ti 2.5-(y2 O3)0.3-剩余),正式生產的合金品牌是彌散強化鎳基高溫合金MA754和MA6000E。

3)20世紀80年代,國際鎳公司和日本金屬材料技術研究所推出了第二代彌散強化高溫合金,如MA758、MA760、MA956和TMO-2,並由MA754、MA6000和TMO-2進行了改性,逐漸被用戶接受。除了制備高溫合金,機械合金化技術也廣泛用於制備結構材料。彌散強化鋁基合金INCOMAP-Al9021和INCOMAP-Al9052在抗拉強度、耐蝕性、斷裂韌性和抗疲勞性方面具有良好的綜合性能,是壹種新型的工業異型合金材料。這些彌散強化材料已經在洛克希德C-130飛機上進行了試驗,結果非常令人滿意。此外,采用機械合金化技術制備的INCOMAP-Al905XL合金強度與7075-T73鋁合金相近,但密度降低了8%,剛度提高了15%。

4).1975 Jangg等人提出了類似“反應球磨”的方法,即將化學添加劑和金屬粉末壹起球磨,誘發低溫化學反應,生成均勻分布的分散顆粒。該方法制備的彌散鋁合金(Al-al4c 3-al2o 3)的室溫力學性能和導電性能優於SAP(彌散強化燒結鋁),其中機械合金化彌散鋁合金已得到廣泛應用。機械合金化技術制備的彌散強化銅合金具有優異的力學性能。機械合金化彌散強化銅合金可以替代內氧化法制備的彌散強化銅合金,是壹種理想的引線框架和電極材料。近年來,機械合金化彌散強化鈦合金、鎳合金和鉬合金以及機械合金化彌散強化金屬間化合物的研究日益增多,估計會有更多新的彌散強化材料問世。

5)70年代初至80年代初,機械合金化技術主要用於發展彌散強化合金材料。雖然在1979年,懷特第壹個提出機械合金化可能導致Nb3Sn超導材料的非晶化。前蘇聯學者Ermakov等人在1981年對Y-Co金屬間化合物進行機械球磨時首次獲得了非晶合金,但這兩個重要結果在當時並沒有引起材料科學界的足夠重視。直到1983,Yeh等人發現氫化導致Zr3Rh的非晶化。Schwarz等人發現La和Au晶體之間的固體擴散導致非晶化。Koch等人用機械合金化的方法制備了Ni40Nb60的非晶合金,Schwarz等人在1985用熱力學方法預言了Ni-Ti二元系非晶合金的形成區域,並用固相反應理論解釋了非晶態的形成機理,才使材料科學家對機械合金化制備非晶粉末的方法產生了極大的興趣。機械合金化制備非晶的方法具有很多優點,如獲得更加均勻的單相非晶、合成快速凝固技術無法制備的非晶合金等。,因為它避免了金屬玻璃形成對熔體冷卻速率和成核條件的嚴格要求。機械合金化制備非晶材料的方法在過去的二十年裏有了很大的發展。

6).就像人們利用固態反應理論尋找新的非晶合金壹樣,Gaffet等人報道了Si在球磨過程中部分非晶化。這是純元素通過機械球磨非晶化的第壹個例子。純元素粉末和純化合物粉末通過機械合金化形成非晶的現象無法用固態反應理論解釋。材料科學家再球磨兩種以上的元素粉末(包括兩種元素粉末),通過固相擴散獲得非平衡相的過程稱為機械合金化,而球磨單壹元素或單壹化合物粉末獲得非平衡相而不轉移物質的過程稱為機械研磨(簡稱MG或MM)。顯然,兩者的非晶化機制是不同的。

7).準晶是1984年Schechtman等人在急冷Al-Mn合金中發現的新材料,引起了材料界的極大興趣。許多方法可以用來制備準晶合金,如快速冷凝、濺射、氣相沈積、離子束混合、非晶相熱處理、固態擴散反應和熔鑄。用機械合金化技術制備準晶合金是機械合金化研究的重要進展之壹。Ivanov等人通過機械合金化技術制備了Mg3Zn(5-x)Alx(其中x=2~4)和Mg32Cu8Al41的二十面體準晶,其結構與快速冷卻技術制備的二十面體準晶相同。埃克特等人也觀察到成分比為Al65Cu20Mn15的金屬粉末機械合金化後形成二十面體準晶相。

8).固溶體可以通過合金系統的組分金屬粉末的機械合金化來形成,這些組分金屬粉末在固態下是完全可混溶的。本傑明在1976中對鎳粉和鉻粉進行了機械合金化,發現可以實現原子尺度的合金化。他發現用機械合金化方法制備的鎳鉻合金的磁性與傳統鑄錠冶金方法制備的相同成分的鎳鉻合金的磁性完全相同。Si和Ge完全互溶,但在室溫下都是脆性材料。Davis等人在1987中的實驗表明,Si和Ge粉末機械合金化時,Si和Ge的晶格常數逐漸接近,當球磨時間達到4~5小時時,晶格常數合二為壹,表明形成了Si-Ge固溶體。

9)非平衡加工方法,如快速凝固,可以突破合金的平衡固溶度極限,機械合金化技術也有同樣的作用。在1985中,Schwarz等人發現Ti在面心立方結構的Ni中的固溶度在機械合金化後的鈦和鎳粉中高達28mass%,而根據Ti-Ni合金的平衡相圖,Ti在Ni中的固溶度只有百分之幾。在1990中,Polkin等人系統地報道了機械合金化引起的固溶度的增加,他們發現在所研究的合金體系中,如Al-Fe、Ni-Al、Ni-W和Ni-Cr,固溶度有明顯的膨脹。

10).壹般來說,有序固溶體可以通過輻射、快速凝固、大塑性變形等過程產生無序結構,並導致合金性能的變化。機械合金化也會導致有序合金和金屬間化合物的無序。第壹篇報道是Ermakov等人通過機械研磨(MM)使有序化合物ZnFe2O4無序化。1983 Elsukov等報道Fe3Si相因機械合金化而無序。Bakker等人報道了關於金屬間化合物無序化的詳細研究結果。

11).機械合金化是均勻混合兩種或多種不混溶相的少數方法之壹。事實上,彌散強化合金就是這種情況,因為氧化物基本上與金屬基體不相溶。更壹般地,機械合金化可以應用於在固體甚至液體中不混溶的二元合金系統。Benjamin介紹了在機械合金化過程中,具有有限互溶性的Fe-50m s % Cu合金和具有不混溶間隙的Cu-Pb合金在液體中形成均勻化合物的結果。格林等人通過機械合金化制備了壹種新的電接觸材料。原始材料是Cu-1.5體積% Ru的混合物,並且Cu和Ru不混溶。Cu-Ru復合材料是通過機械合金化Cu和Ru的混合粉末,然後退火、冷壓和熱軋獲得的,並且通過冷軋和退火獲得最終尺寸的帶材。掃描電鏡結果表明,Ru顆粒的最終直徑為1 ~ 2 μ m,若用腐蝕的方法將Cu從帶材表面去除,表面會凸出堅硬、難熔、導電的Ru顆粒,可用作電觸點,Cu基體起支撐作用,保證電流的連續性。

12).納米材料的制備是材料科學領域的研究熱點之壹。納米材料具有明顯的體積效應、表面效應和界面效應,引起材料的力學、電學、磁學、熱學、光學和化學性質的變化。制備納米晶材料的方法主要有三種:固相法、液相法和氣相法。Thompson等人在1987首次報道了機械合金化合成納米晶材料。Hellstern等人和Jang等人報道了用元素粉末和金屬間化合物粉末通過機械合金化技術制備納米晶材料。Schlump等人發現,在Fe-W、Cu-Ta、Ti-Ni-C和W-Ni-C等不互溶的合金體系中,通過球磨可以生成納米尺寸的分散相顆粒。

13).1988日本京都大學Shinomiya教授等人系統報道了高能球磨法制備Al-Fe納米晶材料,為納米晶材料的制備和應用找到了壹條切實可行的途徑。研究表明,通過元素粉末、金屬間化合物粉末和不互溶合金粉末的球磨可以合成納米晶材料。目前,在鐵、鉻、鈮、鎢、鋯、鉿和釕等純金屬粉末中已經獲得了納米晶。在Ag-Cu、Al-Fe和Fe-Cu合金中獲得了納米結構固溶體。在Cu-Ta和Cu-W合金中獲得了具有納米結構的亞穩相。已經在鐵-硼、鈦-硫、鈦-硼、鎳-矽、釩-碳、鎢-碳、矽-碳、鈀-矽、鎳-鉬、鎳-鋁和鎳-鋯合金中獲得了納米晶金屬間化合物。

14).80年代初至90年代初,機械合金化技術主要用於制備非平衡材料,幾乎所有的非平衡材料都可以用機械合金化技術制備。非平衡材料制備的研究使機械合金化技術的研究掀起了又壹個高潮。

15).許多合金可以通過機械合金化合成金屬間化合物。因為鑄造的金屬間化合物通常具有可加工性差的粗晶粒鑄態結構,所以即使通過變形-熱處理技術也難以控制其微觀結構。因此,希望通過機械合金化技術制備的金屬間化合物是壹種具有微晶和納米晶結構的材料,可以改善金屬間化合物的脆性。麥克德莫特等人首先通過機械合金化制備金屬間化合物。他們將鋅粉和銅粉按壹定比例混合,然後球磨得到β黃銅。Ivanov根據Ni40Al60的成分,通過球磨Ni粉和Al粉的混合物制備金屬間化合物Ni2Al3。通常機械合金化制備金屬間化合物所需的球磨時間很長,影響了金屬間化合物的制備。自從謝弗等人。1989中發現某些金屬可以通過機械合金化誘導的自蔓延燃燒從其氧化物中還原出來,1990中Atzmon等人發現Ni粉和al粉球磨過程中發生自蔓延燃燒,機械合金化的自蔓延燃燒合成反應成為研究熱點。利用這種自蔓延燃燒反應,可以大大縮短球磨時間,制備各種金屬間化合物。

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