美国UP高能搅拌球磨在机械合金化中的应用

何为搅拌磨

Union Process的Attritor其结构示意图及磨介和颗粒的运动图如下:

 在这种状态下，磨介和颗粒之间产生碰撞和剪切，以及不规则的运动，从而把颗粒打碎。

有些金属之间不易形成合金是现代技术的一大难点问题。例如，很难通过常规技术将具有高熔点和低熔点的金属合金化。即使这两种金属可以形成液态溶液，但熔点较低的金属在冷却和固化过程中仍趋于分离。

在过去的几年中，已经开发出一种新的金属复合技术，该技术打破了常规合金化的许多局限性，它被称为机械合金化。

机械合金化最初是为了添加不溶于液体的合金（氧化物）而发展起来的。极稳定的化合物不与液态金属形成溶液的现象很普遍，不仅是氧化物，氮化物和碳化物也是如此。机械合金化可以看作是在金属或合金中形成任何液态不溶分散的一种方法，前提是能加入足够的韧性金属粉末。

在该过程的早期阶段，金属粉末仍然相当软，而且它们结合在一起形成较大颗粒的趋势占主导地位。粒径分布变宽，有些粒径的直径比原始粒径大两到三倍（体积大十倍）。随着这一过程的继续，颗粒变得更硬，它们可以承受变形而不会破裂。较大的颗粒在被磨介球撞击时更容易出现裂纹并破裂。随着时间的推移，结合的趋势和断裂的趋势趋于平衡，颗粒尺寸在一个狭窄的范围内稳定下来。

制备细金属粉末的一种方法是在球磨机中研磨粗粉。然而，用这种方法获得的粉末的细度存在实际的限制：随着研磨的继续，颗粒开始熔合在一起，有时会添加润滑剂（例如煤油或脂肪酸）以防止颗粒接触。虽然润滑剂可以使研磨更精细，但它们可能会严重污染粉末并使其制成的合金变质。细磨的另一个严重限制是细金属粉末容易自燃。

为了快速制备金属复合材料，消除最终粉末均匀性对初始粉末尺寸的依赖性，并避免细粉的危害，转向相比传统球磨机能产生更高能量的球磨机。传统的球磨机由一个旋转的水平滚筒组成，滚筒的一半装满磨介球。随着滚筒的旋转，磨介球落在正在研磨的金属粉末上；研磨速度随着旋转速度的增加而增加。然而，在高速运转时，作用在磨介球上的离心力超过了重力，并且挡板被固定在滚筒壁上。此时研磨动作停止。一种能产生更高能量的球磨机是由一个装有搅拌臂的立式研磨缸组成。强劲的发动机使研磨组件旋转，进而搅动滚筒中的磨介球。这样的设备可以实现比传统设备高10倍以上的研磨速度。

在高能球磨机中，金属颗粒被反复碰撞断裂并重新结合。每当两个磨介球相撞时，会在它们之间就会截留粉末颗粒。冲击力使粒子变形并产生原子洁净的新表面。当干净的表面接触时，它们就会结合在一起。由于这样的表面容易氧化，因此需在氮气或惰性气体的气氛中进行研磨操作。

冶金学家们采用机械合金化可以制备多层金属复合材料。例如，当将钨和氧化锆机械合金化时，在钨中会生成氧化锆的单层复合材料，在加工过程中，复合材料变得又硬又脆。在添加镍粉之后，进一步加工生成一种不寻常的两级复合材料：分散在钨中的氧化锆。进而分散在镍中。氧化锆和镍之间几乎没有接触，因为氧化锆被钨覆盖。以这种方式可制造更复杂的结构。

主要应用

冶金学家们采用机械合金化可以制备多层金属复合材料。例如，当将钨和氧化锆机械合金化时，在钨中会生成氧化锆的单层复合材料，在加工过程中，复合材料变得又硬又脆。在添加镍粉之后，进一步加工生成一种不寻常的两级复合材料：分散在钨中的氧化锆。进而分散在镍中。氧化锆和镍之间几乎没有接触，因为氧化锆被钨覆盖。以这种方式可制造更复杂的结构。

目前，大多数喷气发动机涡轮叶片是由镍基合金制成的，其中含有少量但极其重要的铬、铝和钛。这些合金在中等温度下具有足够的强度，并能抵抗热气腐蚀，但在高温下却缺乏强度。通过在金属中分散一种非常细的稳定氧化物可以大大提高金属的高温强度。

机械合金化制造的喷气发动机叶片用高温合金是由在中等温度下强度极高的铸造镍基高温合金和在高温下稳定、抗蠕变或弥散强化镍结合而成的。此外，机械合金材料还具有优异的抗废气腐蚀性能。超音速飞机。这种材料的高强度部分是由于氧化铬均匀分散在整个合金之中。

机械合金化的主要应用是制造用于喷气发动机部件的分散强化高温合金。很明显，这项技术还有许多其他潜在的应用。金属复合材料的类型和复杂性是其他方法无法实现的，但可通过机械合金化来实现。此外，该工艺可生产出相对大量的合金粉体，这表明该工艺具有较大的推广应用价值。然而，机械合金化最令人兴奋的应用。可能是创造出具有独特性能的全新金属材料。

金属的某些组合形成具有确定式的结构，称为金属间化合物。这些化合物由于其超导特性而具有重要意义，其中一些是极难生产的。机械合金化所产生的不同金属原子间的紧密混合，很有可能是制造这些超导体的一种新方法。