第三章机械合金化技术课件.ppt

1、2022-12-14材料成型及控制工程教研组1第3章 机械合金化技术(a)搅拌球磨机搅拌球磨机 (b)滚动球磨机滚动球磨机 (c)行星球磨机行星球磨机 2022-12-14材料成型及控制工程教研组2第3章 机械合金化技术(d)一维振动球磨机一维振动球磨机 (e)三维振动球磨机三维振动球磨机 图图3-1机械合金化的球磨装置机械合金化的球磨装置2022-12-14材料成型及控制工程教研组3第3章 机械合金化技术 (a)低转速；低转速；(b)适宜转速；适宜转速；(c)临界转速临界转速 图图3-2 球磨筒内球和物料在转速不同时的三种状态球磨筒内球和物料在转速不同时的三种状态2022-12-14材料成型

2、及控制工程教研组4第3章 机械合金化技术 (a)颗粒的夹挤和压颗粒的夹挤和压 (b)团聚团聚 (c)团聚颗粒的释放团聚颗粒的释放 图图3-3 夹挤两球间粉末增量容积的变化过程夹挤两球间粉末增量容积的变化过程2022-12-14材料成型及控制工程教研组5第3章 机械合金化技术 (a)冷焊冷焊 (b)粉末断裂粉末断裂 图图3-4 为球为球粉末粉末球碰撞过程示意图球碰撞过程示意图2022-12-14材料成型及控制工程教研组6第3章 机械合金化技术 (a)分布在表层分布在表层 (b)分布在局部区域分布在局部区域 (c)分布在整个区域分布在整个区域 图图3-5 活化点分布模型活化点分布模型2022-12

3、-14材料成型及控制工程教研组7第3章 机械合金化技术 图图3-6 摩擦等离子模型摩擦等离子模型1外激电子放出；外激电子放出；2正常结构；正常结构；3等离子区；等离子区；4结构不完整区结构不完整区2022-12-14材料成型及控制工程教研组8第3章 机械合金化技术 图图3-7 Tc和和Tig随球磨时间变化的曲线随球磨时间变化的曲线2022-12-14材料成型及控制工程教研组9第3章 机械合金化技术图图3-8 球磨筒中温度随球磨时间变化的曲线球磨筒中温度随球磨时间变化的曲线2022-12-14材料成型及控制工程教研组10第3章 机械合金化技术图图3-9 纯镍和镍基合金在高温下的屈服强度变化曲线纯

4、镍和镍基合金在高温下的屈服强度变化曲线 T绝对温度；绝对温度；Tm以绝对温度表示的熔点以绝对温度表示的熔点2022-12-14材料成型及控制工程教研组11第3章 机械合金化技术图图3-10 金属混合粉、非晶态合金和金属间金属混合粉、非晶态合金和金属间 化合物的自由能曲线化合物的自由能曲线2022-12-14材料成型及控制工程教研组12第3章 机械合金化技术图图3-11 Ti-Si合金系不同相的自由能合金系不同相的自由能(T673K)2022-12-14材料成型及控制工程教研组13表表3-1 一些机械力化学反应类型一些机械力化学反应类型反反 应应 类类 型型 反反 应应 实实 例例分解反应分解反

5、应MxCO3MxO+CO2（M=Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Fe2+）合成反应合成反应Mg+-Al2O3MgAl2O4Ca9HPO4(PO4)5OH+CaF2Ca10(PO4)6F2+H2OSn+2PhCH2X(PhCH2)2SnX2 (X=Cl,Br,I;Ph=C8H5)氧化还原反应氧化还原反应xM+y/2O2MxOy (M=Ag+,Cu+,Zn2+,Ni2+,Co2+)Au+3/4CO21/2Au2O3+3/4C3/2TiO2+2AlAl2O3+3/2Ti晶型转变晶型转变-Fe2O3-Fe2O3 -PbO2-PbO22022-12-14材料成型及控制工程教研组14表表3-2 高温下各

6、种弥散相的稳定性比较高温下各种弥散相的稳定性比较分分 散散 相相1273K时生成自由能的估算值时生成自由能的估算值/(kJ/mol)105碳化物碳化物170Y2O39202022-12-14材料成型及控制工程教研组15表表3-3 INCO公司开发的镍基公司开发的镍基ODS合金的成分合金的成分合金合金AlCrTiTaWMoFeZrCCNiY2O3MA60004.5152.52.04.02.0-0.150.050.01Bal.1.1MA7606.020-3.52.0-0.150.050.01Bal.0.95MA7540.3200.5-1.0-0.05-Bal.1MA7580.3300.5.-1.0

7、-0.05-Bal.0.6MA7574.0160.5-0.05-Bal.0.6合金合金30024.0200.5-0.05-Bal.0.62022-12-14材料成型及控制工程教研组16表表3-4 几种机械合金化几种机械合金化ODS超合金的典型性能超合金的典型性能性性 能能合合 金金MA754MA6000MA758MA760合金类型合金类型Ni-CrNi-Cr-Ni-CrNi-Cr-密度密度/(g/cm3)8.38.118.147.88弹性模量（弹性模量（293K）/GPa149203-屈服强度屈服强度（0.2%残余变形）残余变形）/MPa134192147140拉伸强度拉伸强度/MPa1482

8、22153141断裂伸长率断裂伸长率/12.59915断裂应力（断裂应力（1368K）/MPa-100h102131501101000h94127-107除另外标注外，均在除另外标注外，均在1368K试验试验；纵向方向。纵向方向。2022-12-14材料成型及控制工程教研组17表表3-5 几种典型的铁基几种典型的铁基ODS合金合金(质量分数质量分数)/%合合 金金 名名 称称CrMoTiAl弥弥 散散 颗颗 粒粒用用 途途Incoloy MA95620-0.54.50.5Y2O3高温部件材料高温部件材料PM200020-0.55.50.5Y2O3ODM75116.5-0.64.50.5Y2O3

9、Incoloy MA957140.31.0-0.2Y2O3快中子堆燃料快中子堆燃料包壳管用材料包壳管用材料DT2203Y05131.52.2-0.5Y2O3DT2906131.52.9-Ti2O32022-12-14材料成型及控制工程教研组18表表3-6 耐热铝合金的力学性能耐热铝合金的力学性能合金系合金系抗拉强度抗拉强度b/MPa(室温室温)伸长率伸长率/%(室温室温)抗拉强度抗拉强度b/MPa（300）抗拉强度抗拉强度b/MPa（400）Al-C450495810250150Al-Ti-C560580810300Al-Mg-C6807006835002502022-12-14材料成型及控制

10、工程教研组19表表3-7 一次一次MA和二次和二次MA Al-5wt%Fe合金的力学性能合金的力学性能工艺工艺温度温度t/抗拉强度抗拉强度b/MPa屈服强度屈服强度0.2/MPa弹性模弹性模量量E/GPa伸长率伸长率/%硬度硬度/HRB一次一次MA25342302628.855200257242494.630022220836.24.6400144144332.7二次二次MA25454381813.67920034731666.62.8300264.3250563400186.3182.3470.882022-12-14材料成型及控制工程教研组20表表3-8 机械合金化法与常规方法制得的机械合

11、金化法与常规方法制得的试样性能对比试样性能对比AgNi合金合金密度密度/(g/cm3)硬度硬度/HB电导率电导率/cmAg90Ni1010.149.83.6（MA）9.41045.8Ag70Ni309.565.212.0（MA）9.212712.52022-12-14材料成型及控制工程教研组21表表3-9 三种不同工艺制备的三种不同工艺制备的Ag-10.8ZnO触头材料触头材料的性能的性能制制 备备 工工 艺艺烧结密度（理论密烧结密度（理论密度度分数）分数）/%热压密度（理论密热压密度（理论密度度分数）分数）/%硬度硬度/HV电导率电导率/(%IACS)机械混合法机械混合法89.698.625

12、772喷涂喷涂-共沉淀法共沉淀法92.297.929373机械合金化机械合金化73.999.935372球料比为球料比为17:1；球磨时间为；球磨时间为4h；转速为；转速为300r/min2022-12-14材料成型及控制工程教研组22表表3-10 机械合金化热压烧结与传统粉末冶金机械合金化热压烧结与传统粉末冶金W-20Cu电触头材料的性能电触头材料的性能性性 能能理理 论论 值值测测 量量 值值机械合金化机械合金化传统粉末冶金传统粉末冶金硬度硬度/HV248330252220电导率电导率/mm24124212022-12-14材料成型及控制工程教研组23表表3-11 一些合金系通过机械合金化

13、形成的非晶相一些合金系通过机械合金化形成的非晶相合金合金/成分成分球磨机球磨机球料比球料比转速转速/(r/min)球磨时间球磨时间/h形成非晶成分形成非晶成分(原子分数原子分数)/%Ag-PdSPEX 800010.4:16550Al-15Cr球磨机球磨机120:11000部分非晶部分非晶Al-18.2Co行星球磨行星球磨机机QM-1F20:120080Al-20Cu-15Fe行星球磨行星球磨机机QM-1SP10:1200300300Al-20FeFritsch P76:140Al-20Mn-30SiFritsch20:145065085Al-50Nb杆式球磨机杆式球磨机400Al-25TiF

14、ritsch P710:164528Co-33BFritsch P55.5:170部分非晶部分非晶Co-BFritsch P510:125018343350CoCo-Nb搅拌球磨机搅拌球磨机Kitui Miike MA 1D，300601520Nb2022-12-14材料成型及控制工程教研组24表表3-11 一些合金系通过机械合金化形成的非晶相一些合金系通过机械合金化形成的非晶相合金合金/成分成分球磨机球磨机球料比球料比转速转速/(r/min)球磨时间球磨时间/(h)形成非晶成分形成非晶成分(原子分原子分数数)/%Co-Si实验用球磨机实验用球磨机64:1360303070SiCu-20P水平

15、球磨机水平球磨机30:180800部分非晶部分非晶Cu-50Sb和和Cu-75SbFritsch P0220:1Sb形成非晶形成非晶Cu-10Sb和和Cu-20Sb150:1110300部分非晶部分非晶Cu-50TiSPEX 800016非晶非晶+TiH2Cu-50TiSPEX 8000-16Cu-WFritsch P53090WFe-30C-25Si球磨机球磨机100:1500Mg-10Y-35Cu行星球磨机行星球磨机 Retsch PM 400015:1170部分非晶部分非晶Mn-25Si行星球磨机行星球磨机11.3:1-220Mo-25S行星球磨机行星球磨机11.3:1-220Ni-40

16、Nb实验用球磨机实验用球磨机200Ni-60NbFritsch P695Ni-25Ta行星球磨机行星球磨机20部分非晶部分非晶Ti-NiSPEX 800010:1203550Ni2022-12-14材料成型及控制工程教研组25表表3-12 一些合金系通过机械合金化形成的准晶一些合金系通过机械合金化形成的准晶合金合金/成分成分球磨机球磨机球料比球料比球磨强度球磨强度球磨时间球磨时间/hAl65Cu20Cr15Fritsch P515：155873K退火退火1hAl-Cu-CrFritsch P515：19-Al65Cu20Fe15Fritsch P715：1715Al65Cu20Mn15Frit

17、sch P515：15-Al40Cu10Mn25Ge25Fritsch 20：1450650r/min66Al65Cu20Ru15-Al70Cu12Ru18Al75Cu15V10Fritsch P5/P715：1920+623K退火退火10hAl50Mn20Ge30Fritsch20：1450650r/min47Al50Mn20Si20Ge10Fritsch20：1450650r/min80Al75Ni10Fe15401073K退火退火20hAl70Pd20Mn10Fritsch P715：1730Mg32Cu8Al41行星球磨机行星球磨机900r/minMg-Al-Pd行星球磨机行星球磨机4

18、0：1150G4Mg32(Al,Zn)49行星球磨机行星球磨机3minMg3Zn5-xAlx(x=24)行星球磨机行星球磨机900r/minTi56Ni18Fe10Si16SPEX80006：1301023K退火退火30min2022-12-14材料成型及控制工程教研组26表表3-13 几种纯金属在高能球磨后的晶粒尺寸、热焓、几种纯金属在高能球磨后的晶粒尺寸、热焓、比热容等的变化比热容等的变化元元 素素结构结构平均晶粒平均晶粒/nmH/(kJ/mol)H/Hfcp/%Crbcc94.22510Febcc81.51514Nbbcc92.085Wbcc94.7136Hfhcp132.293Zrhc

19、p133.5206Cohcp141.063Ruhcp137.450152022-12-14材料成型及控制工程教研组27第第3 3章章 机械合金化技术机械合金化技术 式中，式中，为机械力化学引起的反应转化率；为机械力化学引起的反应转化率；为为球磨机的转动频率；球磨机的转动频率；N N为球磨筒内的钢球数目；为球磨筒内的钢球数目；R/lR/lm m为钢球大小和球磨筒直径比；为钢球大小和球磨筒直径比；X X为钢球及被球磨物为钢球及被球磨物料的性质；料的性质；K K为反应速度常数；为反应速度常数；为与球磨时间为与球磨时间有有关的函数。关的函数。式中，式中，G Gc c为合金结晶相的自由能，为合金结晶相的自由能，G Ga a为合金非晶为合金非晶相的自由能。相的自由能。(,/,),()()kmN R l XKa（3-1）a（3-2）cdaGGG2022-12-14材料成型及控制工程教研组28 式中，式中，d d为晶粒尺寸；为晶粒尺寸；t t为时间；为时间；K K为常数。为常数。(3-3)2/3dKt