中国粉体网9月9日讯 粉末冶金是制取钛及钛合金的一种有效方法。传统粉末冶金是将制取的金属钛粉末, 经过成形和烧结以及烧结后的处理制得成品。与传统的熔铸、机加工方法相比, 钛的粉末冶金能控制制品的孔隙度, 生产熔铸法无法生产的材料, 如多孔钛材或多孔钛元件。且粉末冶金法是一种近净成形的加工方法, 是制造低成 本钛合金的理想 工艺。产品多为近净成品形状, 只需很少辅助加工就可获得成品, 材料利用率高, 加工工序少、流程短, 因此可以大幅降低成本。根据形状复杂程度, 与传统熔铸钛合金材相比, 粉末冶金制 备的钛合金, 成本可降低20 % ~ 50 %。
高能球磨是制备超细粉体材料的一种有效途径, 是一种新型粉体材料制备方法。纯度较高的海绵钛在常温、常压下较软且具有韧性, 因此直接粉碎海绵钛制取金属钛粉很困难。柔韧的海 绵金属钛颗粒与氢气反应后, 生成钛的氢化物, 产物呈疏松状, 利用钛的氢脆性, 则很容易粉碎, 能在短时间内通过机械球磨粉碎到纳米晶形态。以 氢化钛粉代替钛粉用粉末冶金法制备钛合金, 所制超细氢化钛粉对后续的成形和烧 结工艺有非常重 要的影响, 可以细化晶粒, 从而提高压坯密度和产品性能,而且氢化钛中的氢元素能在后续的烧结工艺中顺利脱去。
1 球磨机理和工艺参数的选择
在行星高能球磨过程中, 相同质量的磨球以大于数十倍重力加速度的向心加速度冲击物料, 使得磨球作用在物料上的力增加数十倍, 极大地提高了冲击破碎能力。金属粉末在球磨过程中的第一阶段为微锻过程, 在这一阶段颗粒发生变形, 颗粒反复被磨球冲击压扁。脆性粉末一般没有微锻过程;第二阶段为断裂过程, 这一阶段裂纹萌生、 扩展并使颗粒断裂, 颗粒尺寸不断减小; 最后阶段, 当达到一定球磨时间后, 球磨不足以提供更大的碎化能量, 冷焊与碎化达到平衡, 从而生成平衡团聚颗粒, 这种平衡团聚颗粒的粒度也就是粉碎的极限粒度。
球磨过程是一个非常复杂的过程, 影响因素很多, 主要有球磨筒的转速、 球磨时间、 球磨介质、 球磨气氛、 过程控制剂以及磨球的大小。不同的球磨条件下会产生不同的球磨结果。球料比也是球磨过程的重要参数之一, 球料比增高, 磨球个数增加, 碰撞次数增加, 从而转移更多的能量给粉末, 能减少球磨时间。
2 球磨时间对 T i H2 粉末粒度和形貌的影响
球磨时间对球磨结果的影响非常大。在球磨过程中, 粉末颗粒尺寸先在短时间内有一个急剧降低的过程, 之后随时间的延长逐渐减小。粉末形貌由不规则形状逐渐变成等轴状, 最后呈团聚的絮状。粉末团聚主要是由于粉末颗粒太细, 表面自由能急剧增加, 小颗粒团聚在一起以减小表面能。
脆性材料的球磨存在一个粒度极限, 当达到这一极限值时, 进一步球磨, 粉末颗粒的尺寸不再减小, 这时球磨提供的能量有可能改变粉末的热力学状态, 引起合金化。当颗粒尺寸达到极限后, 粒度不再变细, 继续球磨时, 颗粒尺寸可能反而增大。这是由于在球磨过程中粉末颗粒经过焊合和断裂两个过程, 当这两个过程趋于平衡后, 颗粒尺寸也 就趋于 稳定, 达 到了 极限粒 度。本 试验T H i 2 球磨 60 m i n 与球磨 30 m i n 得到的粉末在扫描电镜下观察, 结果发现球磨 60 m i n 时粉末出现了团聚现象。而且, 球磨时间过长, 由于球磨介质和粉末之间长时间的撞击和摩擦等因素, 粉末的污染程度会增加。
3 其它球磨条件的影响
高能球磨是制备超细粉体材料的一种有效途径。通常在球磨过程中加入过程控制剂, 以降低粉末颗粒之间产生的冷焊, 抑制粉末的团聚和粘壁, 使粉末的表面活性降低, 减少粉末的团聚, 从而利于球磨得到更细的粉末。球磨通常分为干磨和湿磨, 当采用湿磨法时, 球磨罐中加入 T H i 2 和球磨介质钢球后, 剩余空间加入庚烷进行球磨。加入庚烷可以有效地减少金属氧化、 防止颗粒的再聚集和长大、 减少物料的成分偏析等。当不添加庚烷, 在高纯氩气保护下进行干磨, 结果发现粉末在球磨罐打开时, 颜色迅速发生改变, 表明粉末已部分氧化。
在室温下进行球磨试验, 在湿磨情况下, 由于磨球与粉末之间的激烈碰撞、 冲击, 因此球磨进行一段时间后, T H i 2 在球磨过程中可能会发生分解。有实验研究发现, 以氢化钛代替金属钛与铝粉一起进行球磨, 发现高能球磨过程中, 可以使氢化钛同时实现脱氢。试验在湿磨情况下, 因为庚烷充满球磨罐,打开球磨罐时, 发现球磨罐壁附有少量气泡, 可能是球磨过程中氢化钛析出了少量氢气。
结论：( 1) 由于氢化钛具有脆性, 很容易破碎成细小颗粒, 通过高能球磨可制得纳米级超细粉体。( 2) 球磨时间对 T H i 2 粉末粒度的影响很大, 以粒度为 40 m 氢化钛粉为原料, 利用行星式高能球磨研磨 60 m i n , 即能制得粒度为 0 . 1 m 的超细氢化钛粉末。( 3 )在球磨过程中, 随着球磨时间的延长, 观察到粉末颗粒形貌由不规则形状逐渐变成等轴状, 最后呈团聚的絮状。
高能球磨是制备超细粉体材料的一种有效途径, 是一种新型粉体材料制备方法。纯度较高的海绵钛在常温、常压下较软且具有韧性, 因此直接粉碎海绵钛制取金属钛粉很困难。柔韧的海 绵金属钛颗粒与氢气反应后, 生成钛的氢化物, 产物呈疏松状, 利用钛的氢脆性, 则很容易粉碎, 能在短时间内通过机械球磨粉碎到纳米晶形态。以 氢化钛粉代替钛粉用粉末冶金法制备钛合金, 所制超细氢化钛粉对后续的成形和烧 结工艺有非常重 要的影响, 可以细化晶粒, 从而提高压坯密度和产品性能,而且氢化钛中的氢元素能在后续的烧结工艺中顺利脱去。
1 球磨机理和工艺参数的选择
在行星高能球磨过程中, 相同质量的磨球以大于数十倍重力加速度的向心加速度冲击物料, 使得磨球作用在物料上的力增加数十倍, 极大地提高了冲击破碎能力。金属粉末在球磨过程中的第一阶段为微锻过程, 在这一阶段颗粒发生变形, 颗粒反复被磨球冲击压扁。脆性粉末一般没有微锻过程;第二阶段为断裂过程, 这一阶段裂纹萌生、 扩展并使颗粒断裂, 颗粒尺寸不断减小; 最后阶段, 当达到一定球磨时间后, 球磨不足以提供更大的碎化能量, 冷焊与碎化达到平衡, 从而生成平衡团聚颗粒, 这种平衡团聚颗粒的粒度也就是粉碎的极限粒度。
球磨过程是一个非常复杂的过程, 影响因素很多, 主要有球磨筒的转速、 球磨时间、 球磨介质、 球磨气氛、 过程控制剂以及磨球的大小。不同的球磨条件下会产生不同的球磨结果。球料比也是球磨过程的重要参数之一, 球料比增高, 磨球个数增加, 碰撞次数增加, 从而转移更多的能量给粉末, 能减少球磨时间。
2 球磨时间对 T i H2 粉末粒度和形貌的影响
球磨时间对球磨结果的影响非常大。在球磨过程中, 粉末颗粒尺寸先在短时间内有一个急剧降低的过程, 之后随时间的延长逐渐减小。粉末形貌由不规则形状逐渐变成等轴状, 最后呈团聚的絮状。粉末团聚主要是由于粉末颗粒太细, 表面自由能急剧增加, 小颗粒团聚在一起以减小表面能。
脆性材料的球磨存在一个粒度极限, 当达到这一极限值时, 进一步球磨, 粉末颗粒的尺寸不再减小, 这时球磨提供的能量有可能改变粉末的热力学状态, 引起合金化。当颗粒尺寸达到极限后, 粒度不再变细, 继续球磨时, 颗粒尺寸可能反而增大。这是由于在球磨过程中粉末颗粒经过焊合和断裂两个过程, 当这两个过程趋于平衡后, 颗粒尺寸也 就趋于 稳定, 达 到了 极限粒 度。本 试验T H i 2 球磨 60 m i n 与球磨 30 m i n 得到的粉末在扫描电镜下观察, 结果发现球磨 60 m i n 时粉末出现了团聚现象。而且, 球磨时间过长, 由于球磨介质和粉末之间长时间的撞击和摩擦等因素, 粉末的污染程度会增加。
3 其它球磨条件的影响
高能球磨是制备超细粉体材料的一种有效途径。通常在球磨过程中加入过程控制剂, 以降低粉末颗粒之间产生的冷焊, 抑制粉末的团聚和粘壁, 使粉末的表面活性降低, 减少粉末的团聚, 从而利于球磨得到更细的粉末。球磨通常分为干磨和湿磨, 当采用湿磨法时, 球磨罐中加入 T H i 2 和球磨介质钢球后, 剩余空间加入庚烷进行球磨。加入庚烷可以有效地减少金属氧化、 防止颗粒的再聚集和长大、 减少物料的成分偏析等。当不添加庚烷, 在高纯氩气保护下进行干磨, 结果发现粉末在球磨罐打开时, 颜色迅速发生改变, 表明粉末已部分氧化。
在室温下进行球磨试验, 在湿磨情况下, 由于磨球与粉末之间的激烈碰撞、 冲击, 因此球磨进行一段时间后, T H i 2 在球磨过程中可能会发生分解。有实验研究发现, 以氢化钛代替金属钛与铝粉一起进行球磨, 发现高能球磨过程中, 可以使氢化钛同时实现脱氢。试验在湿磨情况下, 因为庚烷充满球磨罐,打开球磨罐时, 发现球磨罐壁附有少量气泡, 可能是球磨过程中氢化钛析出了少量氢气。
结论：( 1) 由于氢化钛具有脆性, 很容易破碎成细小颗粒, 通过高能球磨可制得纳米级超细粉体。( 2) 球磨时间对 T H i 2 粉末粒度的影响很大, 以粒度为 40 m 氢化钛粉为原料, 利用行星式高能球磨研磨 60 m i n , 即能制得粒度为 0 . 1 m 的超细氢化钛粉末。( 3 )在球磨过程中, 随着球磨时间的延长, 观察到粉末颗粒形貌由不规则形状逐渐变成等轴状, 最后呈团聚的絮状。
