Структура измельченного порошка

Использование PCA также может изменить структуру конечного измельченного порошка. Сообщалось, что измельчение распыленного газом порошка Fe82Nb6B12 в течение 220 часов с использованием циклогексана в качестве PCA приводило к образованию аморфной фазы. Однако авторы отметили, что содержание углерода в измельченном аморфном порошке достигает 11 мас.%. Следовательно, когда измельчение было проведено без циклогексана (чтобы избежать загрязнения углеродом), был получен только твердый раствор железа, при этом в материале не было обнаруженной аморфной фазы.

Результаты, сообщаемые о влиянии количества ППК, используемого на кинетику легирования, не согласуются между собой. Некоторые исследователи сообщили, что легирование происходит быстрее, тогда как другие сообщили, что кинетика замедляется. Когда используется только небольшое количество ППК, площадь поверхности покрытых ею частиц порошка ограничена. Поэтому чрезмерная холодная сварка все еще имеет место, и легирование не происходит. С другой стороны, когда доступно достаточное количество ПХА для покрытия всей площади поверхности частиц порошка, то не происходит чрезмерной холодной сварки, достигается равновесие между холодной сваркой и разрывом, а сплавление происходит быстро.

В некоторых случаях также возможно, что при использовании небольшого количества ППК она не может покрывать всю поверхность частиц порошка, так что легирование происходит быстрее из-за прямого контакта между частицами реагентов. То есть, кинетика легирования происходит быстрее. Большое количество ПХА может покрывать поверхности всех частиц, предотвращая прямой контакт между компонентами и, возможно, предотвращая быстрое легирование. Для доказательства этого пункта было показано, что фракция фазы Al3Mg2, образовавшейся во время измельчения порошков Al-Mg в планетарной шаровой мельнице, составляла 0,3 при использовании 1 вес.% PCA, 0,28 с 2 вес.%, PCA и только 0,07 с 4 % PCA. Таким образом, количество СПС является важной переменной.

Полученные порошкообразные частицы велики, когда используются очень малые количества ПХА. Сообщалось, что при использовании только 0,5 мас.% PCA (стеариновой кислоты) размер частиц Al, как сообщается, достигает 3-6 мм после 10 ч МА. Во время легирования требуется минимальная концентрация ПХА. Ниже этого значения размер частиц получается большим, и выше этого размер частиц мал.

Shaw et al. провели детальное исследование влияния стеариновой кислоты и метанола на МА наноструктурированных порошков сплава Al-3Fe-2Ti-2Cr (в%). Они исследовали влияние природы и количества ПХА на размер частиц порошка, размеры зерна, деформацию на уровне атомов, параметр решетки, образование твердых растворов и микроструктурную эволюцию. Они сообщили, что 2 мас.% Стеариновой кислоты могут полностью предотвратить чрезмерную холодную сварку даже на ранней стадии измельчения и что чем больше ППК в порошке, тем меньше размер кристаллита. Например, на рис. 5.3 показано изменение размера кристаллитов ГЦК-Аl в зависимости от времени измельчения и количества стеариновой кислоты. Можно отметить, что размер кристаллита уменьшается с увеличением времени измельчения при всех концентрациях РСА, но фактический размер кристаллита увеличивается с увеличением количества РСА. Между стеариновой кислотой и метанолом в виде PCAs, Shaw et al. сообщили, что стеариновая кислота более эффективна для уменьшения размера кристаллитов. Это объяснялось тем, что меньшее количество метанола было более эффективным, чем стеариновая кислота, для предотвращения чрезмерной холодной сварки частиц порошка. Это различие было связано со структурой двух молекул. При том же весе PCA метанол обеспечивает более молекулярные слои, чем стеариновая кислота, из-за его меньшего молекулярного размера, и поэтому метанол более эффективен в предотвращении чрезмерной холодной сварки среди частиц порошка. Одним из важных выводов, которые пришли авторы, было то, что использование ППК может предотвратить чрезмерную холодную сварку, но за счет уменьшения размера зерна, кинетики образования твердых растворов и скорости микроструктурного измельчения, все из которых желательны В обработке МА.

На основе экспериментальных наблюдений обработки порошков Al и Mg со стеариновой кислотой и полиэтиленгликолем в качестве PCAs, Zhang et al. попытался предсказать минимальный объем PCA, необходимый для использования архитектуры нейронной сети обратного распространения. Результаты показали довольно хорошее соответствие между предсказаниями обратной прокладки и экспериментальными данными.

Выбор СПС

Выбор ППК для измельчения зависит от природы измельчаемого порошка и чистоты конечного продукта. Характер и количество ППК, используемого во время измельчения, определяют конечный размер частиц порошка и выход порошка. Фактически, одним из способов определения эффективности СПС является определение выхода порошка после МА. Если выход порошка высок, PCA эффективен. Если выход порошка невелик, то либо количество используемого PCA недостаточно, либо, скорее всего, это не правильный PCA. Сообщалось, что после измельчения в течение 15 ч только 50% порошка извлекали, если использовали 2 мас.% Полиэтиленгликоля, тогда как почти 100% порошка извлекали, если использовали стеариновую кислоту.

Следует понимать, что универсального СПС нет. Количество PCA зависит от (1) характеристик холодной сварки частиц порошка, (2) химической и термической стабильности PCA и (3) количества используемого порошка и измельчаемой среды. Размер частиц порошка имеет тенденцию к увеличению, если массовая доля СПС к порошку ниже критического значения, тогда как выше этого значения размер частиц имеет тенденцию к уменьшению. Необходимо принять решение о PCA, рассмотрев возможные взаимодействия между металлом и компонентами в PCA. Критическое обсуждение роли РСА в измельчении порошковых смесей Al-Cu представлено в работе.

Температура фрезерования

Температура фрезерования является еще одной важной переменной при определении состава измельченного порошка. Поскольку диффузионные процессы участвуют в образовании фаз сплава, независимо от того, является ли конечная фаза продукта твердым раствором, интерметаллическим, наноструктурой или аморфной фазой, ожидается, что температура фрезерования будет иметь существенный эффект в любой системе сплавов, Например, было отмечено, что образец XRD из Si, измельченного в безводном аммиаке в течение 48 ч при 100 °С, был подобен тому, что измельчали ​​в течение 168 ч при комнатной температуре.

Сообщалось лишь о нескольких исследованиях, где температура фрезерования была преднамеренно изменена. Это было сделано путем капания либо жидкого азота, либо смеси азот-спирт на фрезерном контейнере, чтобы снизить температуру или электрически нагревать фрезерный флакон с помощью ленты для повышения температуры фрезерования. Эти исследования проводились либо для определения влияния температуры фрезерования на изменение уровней растворимости в твердой фазе, либо для определения того, образуется ли аморфная фаза или нанокристаллическая структура при разных температурах. Во время образования нанокристаллов сообщалось, что среднеквадратичная (среднеквадратичная) деформация в материале была ниже, а размер зерна был больше для материалов, измельченных при более высоких температурах. Сообщалось, что степень растворимости в твердом состоянии снижается при более высоких температурах измельчения. Например, при планетарном шаровом измельчении Cu-37 в порошкообразной смеси% Ag было отмечено, что смесь из аморфной и кристаллической (пересыщенных твердых растворов) фаз была получена при фрезеровании при комнатной температуре; Вместо этого был получен только твердый раствор Cu-8 при% Ag при размалывании порошка при 200 ° С. Аналогичные результаты были также сообщены другими в системах сплавов Cu-Ag, Zr-Al и Ni-Ag и объяснены на основе повышенного коэффициента диффузии и уравновешивания при более высоких температурах измельчения.

Результаты, отличные от описанных выше, были представлены Rochman et al. Они сообщили, что при размоле порошкообразной смеси Fe-6 вес.% C при 253, 293 и 323 K растворимость C в α-Fe возрастает с повышением температуры, достигая максимального значения 1,3 вес.% При 323 K. Они также отметил, что время, необходимое для образования твердого раствора при 253 К, было больше, чем при 293 К, но время достижения неравновесной твердой растворимости было короче, чем при 293 К. Таким образом, кинетика, по-видимому, быстрее при 253 К Чем в 293 К.

Имелись противоречивые сообщения о формировании аморфной фазы в зависимости от температуры измельчения. Как объяснено ниже, аморфизация во время МА включает в себя образование микродиффузионных пар составляющих порошков с последующей твердофазной реакцией аморфизации. Таким образом, более высокие температуры помола должны усиливать кинетику аморфизации. Это наблюдалось в системах Ni-Ti и Ni-Zr. Во время измельчения порошкообразной смеси Ni-50 в% Zr в вибрационной мельнице образование аморфной фазы не наблюдалось, когда порошок был измельчен при температуре жидкого азота в течение 15 часов. С другой стороны, измельчение за тот же период времени дает полностью аморфную фазу при 200 ° С; При фрезеровании при комнатной температуре была получена частично аморфная фаза.

Образование аморфной фазы ММ происходит по другому механизму, чем при МА. Увеличение свободной энергии кристаллической фазы за счет введения дефектов, таких как антиазитный химический беспорядок или увеличение площади границ зерен за счет образования нанокристаллической структуры, считается ответственным за аморфизацию в течение ММ. Таким образом, ожидается, что более низкие температуры помола благоприятствуют аморфизации. Однако сообщалось о повышенной и пониженной кинетике. Более низкие времена измельчения для аморфизации были зарегистрированы для NiTi при 170jC, чем при 60jC. Для интерметаллида NiZr2 наблюдалась также повышенная кинетика аморфизации. В отличие от этих наблюдений, другие сообщают об уменьшенной кинетике аморфизации для интерметаллидов Ni10Zr7 и Ni11Zr9. Koch et al. также сообщалось о пониженной кинетике аморфизации с температурой во время измельчения интерметаллида NiTi. Они сообщили, что, хотя для аморфизации при температуре жидкого азота потребовалось 2 ч, для этого потребовалось 18 ч размола при 220 ° С. Аналогичные результаты были получены для интерметаллидов CoZr и NiZr2. Эти результаты были рационализированы на основании того, что аморфизация происходила в этой системе из-за увеличения энергии границы зерен за счет формирования нанокристаллической структуры и что нанокристаллическая структура формировалась быстрее при более низких температурах измельчения. На рис. 5.4а показано изменение размера зерна со временем измельчения для фрезерования CoZr в разное время на мельнице SPEX. Нетрудно видеть, что уменьшение размера зерна происходит гораздо быстрее при температуре жидкого азота, чем при более высоких температурах. Также включена полоса, представляющая критический размер зерна, ниже которого происходит аморфизация. На рис. 5.4, б приведен график зависимости времени измельчения для аморфизации от нормализованной температуры измельчения (Tmilling / Tmelting). Можно отметить, что время измельчения для аморфизации увеличивается с увеличением нормированной температуры фрезерования для интерметаллидов NiTi, NiZr2 и CoZr.

Глава 6

Введение

С помощью механического сплавления синтезированы различные сплавы с различными конституциями. Эти фазы сплавов включают в себя твердые растворы (как равновесные, так и метастабильные), промежуточные фазы (квазикристаллические и равновесные или метастабильные кристаллические фазы) и аморфные сплавы. Исследованные типы материалов включают металлические, керамические, полимерные и композиционные материалы. Несмотря на то, что количество фаз, которые, по имеющимся данным, формируются в различных системах сплавов, необычно велико, и оценки свойств были выполнены только в некоторых случаях, и приложения были изучены (подробности см. В главах 9, 10, 12 и 17), Число исследований, посвященных пониманию механизма образования фаз сплава, весьма ограничено. В этой главе обобщается информация, доступная в этой области.