机械合金化粉末的制备工艺及球磨参数研究
机械合金化粉末的制备工艺及球磨参数研究
胡春林
（淮安生物工程高等职业学校 江苏淮安 223002）
摘要：在现代材料科学领域，机械合金化粉末作为一种重要的制备技术，已经引起了广泛的关注。其制备工艺包括选择原材料、混合粉末、球磨处理、筛分处理、热处理、气氛控制和包装储存等步骤，为探究球磨参数对机械合金化粉末的影响，研究进行了一系列实验，结果表明，随着高能球磨时间的延长，不同元素晶格常数变化率稍有不同，但都呈增加的趋势。当Ti-9Mg合金的转速为170 r/min时，Ti的X衍射峰的宽度明显宽于转速为110 r/min时的情况。这些研究结果对于进一步优化合金粉末制备工艺和提高材料性能具有一定的指导意义。
关键词：机械合金化；球磨参数；制备工艺
引言
机械合金化是一种固态加工技术，通过高能球磨使金属或合金粉末经历反复焊接、断裂和重新焊接的过程，从而得到具有优异性能的纳米晶或非晶合金[1]。机械合金化技术为新型合金的设计和开发提供了一个有效的手段。在机械合金化过程中，球磨参数（如球磨时间、球磨速度、球料比等）对粉末的粒度、形貌和晶体结构有着显著的影响，进而影响其最终的物理和化学性能，因此选择合适的球磨参数以获得期望的粉末特性是一个机械合计过程中的关键问题[2-3]。研究首先介绍了机械合金化技术主要步骤，并详细阐述了其三种主要的机理反应，然后介绍了在机械合金化过程中几个主要的影响因素，并对探究了球磨转速、球磨时间以及不同含量PCA机械合金化的影响。研究旨在研究不同球磨参数对粉末性能的影响，为选择合适的球磨参数提供参考。
1 机械合金化技术主要步骤
机械合金化粉末的制备工艺是一种通过机械力将金属或非金属粉末混合并合金化的过程[4]。以下是机械合金化粉末的制备工艺的一般步骤。第一步选择原材料，选择所需的金属或非金属粉末作为原材料。这些粉末可以是单质粉末，也可以是合金粉末。根据需要，可以选用不同粒度、不同成分的粉末。第二步混合粉末，将选定的粉末通过混合机进行混合，以使其成分均匀。混合机的类型和操作条件可以根据具体需要进行选择。第三步球磨处理，将混合后的粉末放入球磨机中，与磨球一起进行高能球磨。球磨过程中，粉末之间的机械力使得它们发生合金化反应，同时粉末的粒度也会减小。第四步筛分处理，球磨后的粉末需要进行筛分，以去除过大或过小的颗粒。一般采用振动筛分机进行筛分。第五步热处理，为了消除粉末内部的应力并促进合金化反应的进行，需要对筛分后的粉末进行热处理。热处理温度和时间可以根据具体需要进行选择。第六步气氛控制，在某些情况下，为了防止粉末在制备过程中被氧化，需要进行气氛控制。例如，可以采用惰性气体保护或真空环境等方法。第七步包装与储存，制备好的机械合金化粉末可以进行包装和储存，以备后续使用。一般采用真空包装或干燥密封包装。最后还需要进行表征分析，对制备的机械合金化粉末进行详细的表征分析。这包括但不限于粉末的粒度分布、形貌观察、晶体结构分析、化学成分分析、物理性能测试等。通过这些表征分析，可以评估粉末的质量和合金化程度，验证制备工艺的有效性，并对工艺参数进行优化和改进
2 机械合金化技术机理及影响因素
械合金化技术通过球磨设备中的磨球转动，将外部能量传递到粉末颗粒中，从而改变其形貌并使其逐渐细化。在球磨过程中，粉末受到磨球的撞击、摩擦、震动和断裂等作用，使粉末颗粒内部能量增加。这个过程可以分为三种主要的机理反应，即界面反应、扩散机理和冷焊-破碎机理。界面反应在粉末颗粒表面发生，导致表面能增加，这种能量增加为后续的合金化过程提供了必要的动力，推动了合金化的进行。扩散机理是指球磨过程中粉末界面间发生相互扩散，促进反应的进行。在球磨过程中，由于粉末颗粒内部能量的增加，原子开始在粉末颗粒内部迁移，促进了不同元素之间的相互作用，形成了饱和固溶性粉末。这种扩散过程的进行使得合金化的过程更加均匀和稳定。冷焊-破碎机理是一个重要的过程，它影响着粉末颗粒的形状和大小。在这个过程中，粉末颗粒经历了一系列的变化和相互作用，逐渐趋于均匀。这种均匀化不仅发生在颗粒的形状上，也发生在颗粒的大小上。这一过程的进行不仅使粉末颗粒更加均匀，而且促进了合金化的进行，提高了合金的性能和质量。当这个过程达到平衡状态后，将会形成均匀细小的粉末颗粒，这些颗粒具有良好的烧结活性和优异的物理、化学性能，为后续的工艺步骤提供了良好的原料基础。在这个阶段，延长球磨时间对于粉末的细化已经没有太大的意义了。因为此时粉末颗粒已经足够细小且均匀，进一步延长球磨时间只会增加能源的消耗而不会对粉末的细化产生太大影响。因此，机械合金化技术是一种高效、环保的材料制备技术，具有广泛的应用前景。机械合金化反应机理及主要影响因素如图1所示。
图1 机械合金化反应机理及主要影响因素
在机械合金化过程中，有几个主要的影响因素需要考虑，包括过程控制剂的选择、球磨转速以及球磨时间。首先，过程控制剂是机械合金化中的关键因素之一。过程控制剂在球磨过程中起到润滑剂和抗氧化剂的作用，可以减少机械合金化过程中的摩擦和热量产生，从而提高合金化效率和产物的质量。常用的过程控制剂包括乙酸乙酯、正庚醇等。其次，球磨转速也是机械合金化的重要影响因素之一。球磨转速的选择直接影响到合金化过程中的能量传递和反应速率。较高的球磨转速可以增加碰撞频率和能量输入，加快合金化反应的进行，但过高的转速可能会导致粉末堆积和团聚，影响合金化效果。最后，球磨时间是机械合金化过程中需要考虑的另一个重要因素。合适的球磨时间可以确保足够的反应时间，使反应充分进行，同时避免过长的球磨时间导致颗粒过度细化和堆积。球磨时间的选择应根据具体材料和反应需求进行合理调整。
3 机械合金化粉末的球磨参数研究
为选出最佳的球磨参数组合，以Mg和Ti为实验对象，最大限度地提高Mg在Ti中的固溶度，为进一步优化二元机械合金化粉末的制备工艺提供重要依据。实验中，采用FOCUCY公司生产的F-P400微型行星式球磨仪来制备二元机械合金化粉末。将纯Ti粉和纯Mg粉按照原子比Ti-nMg(n=3%、7%、12%、19%、25%)的配比装入球磨罐中，进行高能球磨处理。同时选择硬质合金球作为球磨介质。实验按照研究所提机械合金化技术主要步骤进行。在球磨过程中，调整球磨时间、球磨机转速以及原料配比等关键参数，获得最佳的球磨效果。为了确保球磨过程中的纯净环境，实验在高纯氩气的保护下进行，随后，利用X射线衍射分析技术，对在不同球磨参数下制备的样品成分进行了细致的观察和分析。通过这一系列的实验操作和数据分析，球磨转速以及球磨时间对Ti-xMg 机械合金化的影响如图2所示。
图2 球磨转速以及球磨时间对Ti-xMg 机械合金化的影响
从图2（a）中可以看出随着高能球磨时间的延长，两种元素晶格常数变化率稍有不同，Ti的晶格常数变化率呈现明显增加的趋势。然而，在相同的实验条件下，相比于Ti-24Mg，Ti-9Mg的晶格常数变化率的增加幅度明显较小。这意味着在高能球磨过程中，Ti-9Mg合金的晶格结构相对于Ti-24Mg合金更稳定。可能因为Ti-9Mg中的Mg含量较少，所以在球磨过程中引起的晶格常数变化较小。这也暗示了，随着Mg含量的增加，Ti的晶格结构变化会更加显著。从图2（b）中可以看出，在Ti-9Mg合金中，当转速为170r/min时，Ti的X衍射峰强度明显弱于转速为110r/min时的X衍射峰强度，这表明转速的增加可能导致Ti的晶体结构发生变化，使得X衍射峰的强度减弱。此外，当Ti-9Mg合金的转速为170r/min时，Ti的X衍射峰的宽度也明显宽于转速为110r/min时的情况。这说明在更高的转速下，Ti-9Mg合金中的晶体结构可能变得更加无序或存在更多的晶体缺陷。这种变化可能是由于高转速引起的更高能量的球磨过程，导致粉末颗粒之间的碰撞更加剧烈，从而引起晶体结构的变化。由此可见，在Ti-Mg合金的形成过程中，转速起着至关重要的作用，它影响着合金的晶体结构和性质。为了探究过程控制剂对机械合金化粉末微观形貌的影响，实验以9CrY机械合金化粉末为研究对象，以研究不同含量PCA的添加对9CrY粉末的微观形貌。固定320 r/min 的球磨转速，添加不同含量的乙醇同时球磨30小时，通过SEM对机械合金化粉末进行扫描，实验结果如图3所示。
图3 不同含量PCA的添加对9CrY粉末的微观形貌
从图3（a）可以看出，在未添加乙醇的情况下，9CrY粉末的形貌呈现出较粗的颗粒，分布不均匀，且大部分颗粒呈现圆形。然而，当添加了2wt%的乙醇时，9CrY粉末的颗粒细化，分布更加均匀，大部分颗粒呈现圆形。这表明乙醇的添加对9CrY粉末具有显著的影响，可以使其颗粒更加细小且形状更加规则。从图3（b）中可以观察到，随着浓度增加到百分之4wt，铬酸钇粉末的形态发生了显著变化。粉末颗粒的大小呈现出明显的不均匀性，这表明在该浓度下，粉末颗粒的生长和团聚过程可能更加复杂。此外，还可以观察到一部分颗粒粉末呈现出较大的厚度，形状类似于长方形块体。综上所述，适当的乙醇添加可以细化粉末颗粒并使其分布更加均匀，而过程控制剂的不同可能导致粉末呈现出扁平状、不均匀厚度甚至长方形块体的形态。
4结论
机械合金化技术是一种通过机械力将金属或非金属粉末混合并合金化的过程，在现代材料科学领域已经引起了广泛的关注。该技术的几个主要影响因素包括过程控制剂的选择、球磨转速以及球磨时间。以机械合金化制备钛合金为例，随着高能球磨时间的延长，两种元素晶格常数变化率稍有不同，Ti的晶格常数变化率呈现明显增加的趋势。然而，在相同的实验条件下，相比于Ti-24Mg，Ti-9Mg的晶格常数变化率的增加幅度明显较小。这意味着在高能球磨过程中，Ti-9Mg 合金的晶格结构相对于Ti-24Mg合金更稳定。可能因为Ti-9Mg中的Mg含量较少，所以在球磨过程中引起的晶格常数变化较小。这也暗示了，随着Mg含量的增加，Ti的晶格结构变化会更加显著。此外，当 Ti-9Mg合金的转速为170 r/min时，Ti的X衍射峰强度明显弱于转速为110 r/min时的X衍射峰强度，这表明转速的增加可能导致Ti的晶体结构发生变化，使得X衍射峰的强度减弱。但文章针对球磨参数的研究还不够全面，这也是后续研究需要跟进的方面。
参考文献
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