【高新金属材料】制备原位自生复合材料的反应机械合金化法

发布时间:2022年1月17日 来源:中国有色金属报 作者:王祝堂
新闻导读:反应机械合金化技术(Reaction Mechanical Alloying,RMA法),是利用机械合金时产生的种种化学反应,先制备复合粉末,而后经固结成形、热加工制得所需材料的技术。机械合金化可诱发在室温或低温下不易进行的固-固(S-S)、固-液(S-L)和固-气(S-G)多相化学反应。已采用这些工艺制得了多种高熔点金属间化合物,如TiC、ZrC、TfC、NbC、(Ra.Re)C、Cr3C2、MoC、FeW3C、Ni3C、Al4C3、FeN、TiN、AITaC等,并已成功用于制备MMCp复合材料。

反应机械合金化技术(Reaction Mechanical Alloying,RMA法),是利用机械合金时产生的种种化学反应,先制备复合粉末,而后经固结成形、热加工制得所需材料的技术。机械合金化可诱发在室温或低温下不易进行的固-固(S-S)、固-液(S-L)和固-气(S-G)多相化学反应。已采用这些工艺制得了多种高熔点金属间化合物,如TiC、ZrC、TfC、NbC、(Ra.Re)C、Cr3C2、MoC、FeW3C、Ni3C、Al4C3、FeN、TiN、AITaC等,并已成功用于制备MMCp复合材料。

反应机械合金化就是高能球磨技术,通过磨球、粉末与球罐之间强烈的相互碰撞作用,将外部能量传给元素粉末或金属化合物粉末,使粉末变形、断裂和冷焊,并被不断细化,使未反应的表面不断暴露出来,大大加大了反应接触面积,显著缩短了原子的扩散距离,促进了不同成分颗粒间的扩散和固态反应,实现了混合粉末在原子量级上的合金化。

机械合金化是一个非平衡过程,在热力学与动力学条件上完全不同于传统工艺,因此,不能按常规热力学和动力学原理来分析合金的形成机理,机械合金化和固溶体的混合焓为正值,而通常情况下多元合金体系非晶态转变的驱动力主要来自于其负混合焓。因此,RMA过程的混合焓对合金化起抑制作用,不再是合金形成的首要因素。合金化的形成动力主要由外界的机械强制驱动力提供,使粉粒内部产生大量的应变与缺陷,在合金化过程中起着关键作用。机械合金化会使晶体内部产生大量的缺陷,降低生成物所需的有效反应能,同时,提供了低温下固体反应传质条件。因为球磨使晶体内产生高密度位错群和严重晶界变形,破坏了晶体结构完整性。外界输入的能量大多聚集于缺陷处,提升了粉粒的活性,降低了原子扩散的能垒,为溶质元素在基体内扩散提供了较为畅通的渠道,使组元在室温下也能显著地进行原子扩散,并按非平衡状态下的热力学条件进行相变,因此,可用反应机械化技术制备常规工艺无法制造的合金材料。

安霍尔(Arnhol)等人用RMA法制得了高温度下抗热冲击性和抗高温(500℃)蠕变性能DISPA12Si12MMCp合金,已用于制造高温工件。贾格(Jangg)等人以铝粉和石墨粉为原料采用RMA法制得的Al/Al4C3合金的室温强度Rm=400MPa、A=2%-5%、HV=1.4GPa,高温性能比常用2XXX系锻造铝合金的还高。S.埃兹(Ezz)等用RMA法制得的Al-Fe-Ni/Al2O3、Al4C3复合材料的弥散相粒子约为30纳米,即使在450℃还有优秀的抗高温蠕变性能和稳定的显微组织。日本冶金科学家高桥辉南等人用RMA工艺制得的Cu/TiC复合材料具有657MPa的抗拉强度Rm和高达11%伸长率A;Cu/ZrC复合材料的Rm=725MPa,A=50%。

RMA工艺的优点:由于增强相颗粒是在室温或低温化学反应过程形成,因此表面洁净,尺寸细小,小于100纳米,弥散分布;所形成的过饱和固溶体在随后热加工时会脱溶分解,形成细小的弥散金属间化合物;粉末系统储能很高,对降低其致密化温度极为有利。

RMA技术自上世纪80年代初实际应用以来,固态反应非平衡相变已成为材料科学的尖端课题。固态相变与元素的化学势、混合热、界面能、互扩散及界面反应等有关。至今,人们对固态反应非平衡相变机理仍缺乏足够的理解,许多试险现象尚缺乏满意的解释。但是,现代RMA技术由于科学家的关注和积极参与,发展很快。一系列的研究表明,RMA法是制备亚稳材料的最有效途径。从热力学观点来看,它将大量能储于界面,使材料处于亚稳态,在一定条件下便会释放,并伴随固相反应的发生,形成通常条件下不易形成的亚稳相。广为应用的工程合金如超导材料、稀土永磁合金、金属间化合物、高比强合金、高温金属-陶瓷复合材料、超抗蚀合金、贮氢合金、超磁阻材料等,都可用此技术在固态下合成,工艺简便,成本合理。

责任编辑:杨一鸣