如果金属粉体在混合物中混合不均,会导致最后烧结过程中坯体各部位的体积膨胀率不同,收缩率不同,因而造成烧结体的密度分布不均匀,坯体极易发生开裂现象。另外一个严重后果是,如果在烧结后坯体中残存有粒径较大的金属粉体颗粒,由于金属和陶瓷坯体的热膨胀系数相差很大,会在坯体使用过程出现因金属与陶瓷坯体收缩不一致而产生的微裂纹,显著降低复相陶瓷材料的强度。因此,RBAO法最重要的工序是采用高效球磨机将金属粉体细化,使其均匀分布于基体材料中。常用的球磨机有三种:搅拌式球磨机、行星式球磨机、振动式球磨机,其中搅拌式球磨机已经成为一种效率最高的设备,被广泛地应用于特种陶瓷行业。
制备复相金属陶瓷特种金属陶瓷材料,按照ASTM(美国标准试验方法)的定义指:/一种由金属或合金与同一种或多种陶瓷相组成的非均质的复合材料0,是一种典型的复相陶瓷材料。目前,利用机械合金化方法制备的金属陶瓷材料主要有两类:以碳化物-金属陶瓷材料、硅化物-金属陶瓷材料等为典型复合物质的,将氧化物或非氧化物陶瓷相颗粒弥散于金属基材料中形成的一类复相材料;另一类为用于金属陶瓷材料制备的粉末合金物质金属间化合物,这类金属间化合物通过高效球磨可以达到纳米级晶粒尺寸,也是目前研究的一个重点方向。
机械合金化制备碳化物-金属陶瓷材料通过机械合金化,已经合成了系列碳化物,如VC、Mo2C、Cr2C3、TiC、ZrC、NbC等<3>,这些碳化物和其它金属粉体经过一定的热压工艺可以形成一些广泛使用的金属陶瓷结构材料,如用作切削金属工具的碳化钨、碳化钛基材料。一般地说,利用二元单质粉体混合球磨来合成碳化物是碳化物-金属陶瓷材料研究的重点。
典型的碳化物材料为TiC材料。将Ti粉和石墨粉球磨,在一定的条件下,由于高能球磨中球磨介质的相互挤压、研磨、碰撞,使石墨粉体的温度不断上升,最后发生石墨与金属钛合成反应,而且这一反应为放热反应,放出的热量又反过来促进了碳与钛之间的进一步反应,这种反应过程简称为自维持反应)。又如,TiC/T-iAl基纳米复合金属陶瓷材料的制备:将一定细度的石墨粉体、金属钛粉和金属铝粉按照Ti50%、Al30%和C20%混合在一起,在高效球磨中可以发生如下反应:Ti+C+AlyTiC+T-iAl该反应生成的TiC/T-iAl混合物,是一种具有严重晶格缺陷和很高活性的粉体,这种粉体的特点是TiC晶体是一种非晶态的物质,同时均匀分布于非晶态的T-iAl合金基质上,热压烧结后常可以得到性能优良的碳化钛陶瓷颗粒增强T-iAl合金复相金属陶瓷材料。
当将20%Al(原子分数)和80%Fe在高效球磨中研磨(料、球比为110)20h和750e下处理后,就可以得到性能良好的金属陶瓷前驱Fe-Al基合金材料。无论是Fe-Al基材料、Zr-Ni基材料以及Cu-Cr材料,它们在显微结构上都具有晶粒细化和晶粒分布均匀的特点<58>.从强化理论上说,这些材料由于结构的特殊性,同时具有了细晶强化、弥散强化和沉淀强化的效果,显著改善了材料的机械性能,如用Cu-5%Cr材料在料、球比为110和氩气保护气氛下经400e处理后得到的材料制成一定的棒材,其抗拉强度可达8001000MPa.
结束语机械合金化作为一种新的复相金属陶瓷制备方法,已经在特种陶瓷材料领域中显示出独特的作用,引起了广大材料工作者的关注。可以预测,随着机械合金化理论研究的深入,必将有许多的新材料被开发出来。