固液反应球磨工艺及其原理研究

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在球磨中,利用机械力化学的原理来制备各种粉体材料已经成为了当今粉体科学研究领域的一个热点,但现有的大多数研究都是集中在固—固反应和固—气反应的研究领域。本论文对机械力化学的原理、应用和国内外研究现状进行详细的评述,根据机械力化学和热化学的原理,以及黄培云院士关于机械力场对液态金属熔体作用的有关思想,在原有的机械球磨的工艺上开发出了一种新型的固液反应球磨技术。所谓固液反应球磨技术是将球磨介质直接对金属液体进行球磨,在一定温度区间,磨球和筒壁直接和金属液体反应生成固相的金属间化合物粉末的一种粉末制备技术,为了加速反应进行,可以在金属液体中加入与磨球成分相同的金属粉末。 本论文采用固液反应球磨技术对多个合金系统进行了研究,根据有关实验结果和相关的物理化学反应原理对固液反应球磨的反应模型和反应机理作了详细的讨论,并将该技术与机械合金化技术进行了较为详细的比较,得到如下实验结果: (1) 对于Fe-Sn合金系,采用铁球直接球磨Sn液,球料比30:1,转速80转/分,在593K、873K、1033K和1093K温度下,分别得到FeSn2、FeSn、Fe3Sn2与Fe1.3Sn的固相粉末。对于Fe-Zn合金系,采用铁球直接球磨Zn液,球料比12:1,转速80转/分,可以在723K,823K,923K和993K温度下,固液球磨48小时后,液相完全消失,分别得到固态FeZn13、FeZn10.98、FeZn8.87和Fe11Zn40的金属间化合物粉末。对于Fe-Sb合金系,采用铁球球磨Sb液时,则可以在923K和1043K下经固液球磨48小时得到FeSb2和FeSb固相粉末。在金属熔体Sn、Zn和Sb液中分别加入一定量的Fe粉,可以加快反应速度,得到各种固态金属间化合物相粉末时间缩短。 (2) 采用Ti、Ni和Fe质磨球分别球磨200g Al液,球料比12:1,转速80转/分,对于Ti-Al合金系,在973K,球磨12小时后Al液完全消失,得到固相的TiAl3和Ti9Al23的混合粉末;球磨24h得到TiAl3固相粉末;对于Ni-Al合金系,在973K下,12小时后Al液完全消失,可以得到固相Ni2Al3和NiAl3的混合粉末;对于Fe-Al合金系,在973K,球磨24后Al液完全消失,得Al13Fe4、Fe2A15和FeAl2的固相混合粉末;48小时得到FeAl2和Fe2Al5固相混合粉末。在Al液中分别加入20wt%的Ti、Ni和Fe粉,可以加快反应速度。Al液提早耗尽,得到固相金属间化合物的粉末的时间缩短。中更齐学博士论齐二亘里 (3)采用Fe球球磨20饨液态的Al一Cu和Al一51二元合金熔体,球料比12:1,转速80转/分,当在923K球磨液态的Al一33.ZWt%Cu共晶合金,球磨24小时后,得到了Al了CuZFe和Al 13Cu4Fe。混合粉末,继续球磨至48小时,得到完全为All3Cu4Fe。的固相粉末,加入ZOwt%的Fe粉后,球磨12小时后得到A17CuZFe的粉末,球磨24小时后得到A17CuZFe和Al 13Cu4Fe。混合粉末,球磨48小时后得到A165CuZoFe,。固相粉末;在943K球磨Al一54wty0Cu(A12Cu)合金熔体时,球磨24小时后得到了固相的A165Cu20Fe;。和AI,3Cu4Fe3混合粉末,而加入ZOwt%Fe粉后,12小时后得到AI,3Cu4Fe。固相粉末,球磨24小时后得到A17CuZFe和Al,3Cu4Fe。混合粉末,48小时后得到Al。SCuZoFel。固相粉末。当在963K球磨Al一7wt%51亚共晶合金熔体,球磨48小时后得到固态的Al,FeZSi合金粉末,加入ZOwtv0Fe粉后,球磨24小时后得到固态的A18FeZSi合金粉末;在963K球磨Al一12.6wt%Si共晶合金熔体,球磨48小时后得到固态的A18FeZSi粉末,加入ZOwt%Fe粉后,24小时后得到固态的A18FeZSi粉末,48小时后得到A18FeZSi+A13Fesi的混合物粉末;在1 133K,球磨AI一30wt%51过共晶合金熔体,球磨24小时后得到固态的A13Fesi合金粉末,而加入20wt%Fe粉,24小时后也得到了固态的A13Fesi三元合金粉末。 (4)结合实验结果和有关机械合金化的理论,对固液反应球磨和机械合金化工艺进行了较为详细的对比,在Fe一Sn合金系中,1固液反应球磨可以制备出FesnZ、Fesn、Fe:,3Sn、Fe3SnZ等金属间化合物粉末,而类似实验条件下的机械合金化只能得到FesnZ金属间化合物粉末。在Fe一加合金系中,固液反应球磨可以制备出Fezn小FeZn:。.9,、FeZns.87和Fe:IZn;。金属间化合物粉末,而类似条件的机械合金化只能得到Fe一Zn非晶粉末。在Fe一Sb合金系中,固液反应球磨可以制备出FesbZ和Fesb金属间化合物粉末,而机械合金化只能得到Sb在Fe中的过饱和固溶体粉末。在Ti一Al合金系中,固液反应球磨可以制备出T认1。金属间化合物粉末,在Ni一A1合金系中可以制备出Ni进1。和NIAI。的混合粉末,在Fe--AI合金系中可以制备出All3Fe4和FeZAI。的混合物粉末以及FeZA15、FeA12和FeZAI。的混合物粉末。而相应的机械合金化实验一般只能得到Ti一A1、Ni一A1和Fe一A1的非晶粉末。在A1一Cu--Fe合金系中,固液反应球磨可以制备出A1?CllZFe、Al 13Cu4Fe3、A17CuZFe+Al,3Cu4Fe。混合物和A165Cu2(,Fe,。+Al,3Cu;Fe。混合物粉末。在A卜Fe--Si系中,固液反应球磨可以制备出A18FeZSi、A13Fes,i和A18FeZSi+A13Fesi混合物合金粉末。而类似条件的机械合金化实验一般只能制备出Al?
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