D01:10.13374j.isml00103x2006.07.010 第28卷第7期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 7 2006年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2006 低温球磨制备纳米晶A一Zn Mg Cu合金 程军胜) 陈汉宾)崔华2)杨滨)樊建中) 田晓风到 张济山) 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院.北京100083 3)北京有色金属研究总院，北京100088 摘要利用低温液氮球磨技术制备了A一Z一Mg一C合金纳米晶粉末，并采用X射线衍射 (XRD)对材料在球磨过程中的晶粒尺寸和微观应变进行了研究，利用扫描电镜(SEM)、透射电镜 (TEM和差热分析(D6C)等测试方法研究了材料的固态相变以及热稳定性.研究表明.粉末品粒 尺寸随着球磨的进行逐渐减小，球磨10h后晶粒尺寸达到45m:微观应变随着球磨的进行逐渐增 大.粉末球磨过程中，M☑m相逐渐减少，合金元素过饱和固溶于a一Al晶格之中.球磨10h后仅 有少量的MgZ2相存在.制备的A-Z一Mg一Cu纳米晶粉末在低于709K下加热，粉末晶粒长大 速度较慢，表明A一Z一Mg一Cu纳米晶粉末具有较高的热稳定性. 关键词铝合金：低温球磨：纳米晶热稳定性 分类号TG146.21 材料晶粒超细化至纳米尺度后能够使其表面 料经过强烈的碾压变形、冷焊合、断裂过程的反复 的电子结构和晶体结构发生变化，从而使材料具 作用，能够在较短时间内使材料的晶粒尺寸降至 备了许多优异的物理化学性能.铝合金作为重要 100m以下.高能球磨具备能量大、时间短、效率 的工程结构材料，具有重量轻、比强度大、成本低 高、成本低的特点，可以制备出普通工艺条件下难 等优点，在航空、航天、机械、运输等方面得到广泛 以获得的非晶、纳米晶、准晶、过饱和固溶体等非 应用，随着使用要求的提高，对铝合金的综合性 平衡态材料.采用低温液氮球磨一方面可以防止 能也提出了更高的要求. 材料在球磨过程中过分氧化：另一方面，韧性材料 铝合金传统的强化方式主要包括：固溶强化、 在低温液氮条件下球磨有利于粉体的分散，防止 沉淀强化、冷作强化、细晶强化以及复合强化 粘合，加快球磨进程. 等刂.超高强铝合金的强度极限一般为500~ 1 实验过程 600MPa,目前采用特殊工艺如喷射成形制备可 达700~800MP?.采用传统强化方式进一步 采用北京科技大学的气雾化技术制备铝合金 提高铝合金性能的空间已经非常有限.由于纳米 粉末(A一10%Zn-3%Mg-1.8%Cu).将粒度 化能够赋予结构材料优异的力学性能，因此越来 一100m的雾化粉末置于自制的搅拌式球磨机 越多的研究者开始关注铝合金纳米化的研究.当 中，在液氮条件下进行球磨.球磨罐和磨球材料 前纳米铝合金的研究主要集中于高温铝合金3 均为不锈钢，球料质量比为251，罐内温度133 和金属间化合物5可，以及铝基复合材料等方 K,主轴转速200rmin1.实验中添加少量硬脂 面7,7000系A-Z一MgCu超高强铝合金的 酸控制球磨进程，防止粉末颗粒过分粘结 纳米化研究报道甚少9.本文采用低温液氮球磨 为研究球磨后A一Z一MgCu合金粉末的热 稳定性，将球磨粉末置于NETZSCH DSC一204差 的方法制备了A一Z一Mg一Cu纳米铝合金粉末， 并对其热稳定性进行研究，以便为下一步块体纳 热分析仪中进行DSC实验，氮气保护，加热速率 米AZ一MgCu合金的制备打下基础.高能球 10Kmin1.根据DSC实验结果，将球磨粉末在 指定温度下真空等温热处理，以研究其相变产物. 磨是制备纳米粉体结构材料的主要方法之一.材 实验中先将球磨粉末在真空状态下密封于石英玻 收稿日期：2005-04-15修回日期：200509-26 璃管中，然后置于CWF13/5箱式马弗炉中进行 基金项目：国家“863”纳米专项课题N0.2002AA302502 加热.控温精度为土2K. 作者简介：程军胜(1976一)，男，博士研究生；杨滨(1960一)，男， 教授，博士 材料的晶粒尺寸和晶体结构采用PHILIPS低温球磨制备纳米晶 Al-Zn-Mg-Cu合金 程军胜1) 陈汉宾1) 崔 华2) 杨 滨1) 樊建中3) 田晓风3) 张济山1) 1) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室, 北京 100083 2) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 3) 北京有色金属研究总院, 北京 100088 摘 要 利用低温液氮球磨技术制备了 Al -Zn-Mg-Cu 合金纳米晶粉末, 并采用 X 射线衍射 ( XRD) 对材料在球磨过程中的晶粒尺寸和微观应变进行了研究, 利用扫描电镜( SEM) 、透射电镜 ( TEM) 和差热分析( DSC) 等测试方法研究了材料的固态相变以及热稳定性.研究表明, 粉末晶粒 尺寸随着球磨的进行逐渐减小, 球磨 10 h 后晶粒尺寸达到 45 nm ;微观应变随着球磨的进行逐渐增 大.粉末球磨过程中, MgZn2 相逐渐减少, 合金元素过饱和固溶于α-Al 晶格之中.球磨 10 h 后仅 有少量的 MgZn2 相存在.制备的 Al-Zn-Mg-Cu 纳米晶粉末在低于 709 K 下加热, 粉末晶粒长大 速度较慢, 表明 Al-Zn-Mg-Cu 纳米晶粉末具有较高的热稳定性. 关键词 铝合金;低温球磨;纳米晶;热稳定性 分类号 TG 146.21 收稿日期:2005 04 15 修回日期:2005 09 26 基金项目:国家“ 863”纳米专项课题( No .2002AA302502) 作者简介:程军胜( 1976—) , 男, 博士研究生;杨滨( 1960—) , 男, 教授, 博士 材料晶粒超细化至纳米尺度后能够使其表面 的电子结构和晶体结构发生变化, 从而使材料具 备了许多优异的物理化学性能.铝合金作为重要 的工程结构材料, 具有重量轻 、比强度大、成本低 等优点, 在航空 、航天 、机械、运输等方面得到广泛 应用 .随着使用要求的提高, 对铝合金的综合性 能也提出了更高的要求. 铝合金传统的强化方式主要包括:固溶强化、 沉淀强化、冷作强化 、细晶强化以及复合强化 等[ 1] .超高强铝合金的强度极限一般为 500 ～ 600M Pa, 目前采用特殊工艺如喷射成形制备可 达700 ～ 800 M Pa [ 2] .采用传统强化方式进一步 提高铝合金性能的空间已经非常有限.由于纳米 化能够赋予结构材料优异的力学性能, 因此越来 越多的研究者开始关注铝合金纳米化的研究.当 前纳米铝合金的研究主要集中于高温铝合金[ 3 4] 和金属间化合物[ 5 6] , 以及铝基复合材料等方 面 [ 7 8] , 7000 系 Al-Zn-Mg -Cu 超高强铝合金的 纳米化研究报道甚少[ 9] .本文采用低温液氮球磨 的方法制备了Al-Zn-Mg-Cu 纳米铝合金粉末, 并对其热稳定性进行研究, 以便为下一步块体纳 米Al-Zn-Mg-Cu 合金的制备打下基础.高能球 磨是制备纳米粉体结构材料的主要方法之一.材 料经过强烈的碾压变形、冷焊合、断裂过程的反复 作用, 能够在较短时间内使材料的晶粒尺寸降至 100 nm 以下.高能球磨具备能量大 、时间短 、效率 高、成本低的特点, 可以制备出普通工艺条件下难 以获得的非晶 、纳米晶、准晶、过饱和固溶体等非 平衡态材料.采用低温液氮球磨一方面可以防止 材料在球磨过程中过分氧化;另一方面, 韧性材料 在低温液氮条件下球磨有利于粉体的分散, 防止 粘合, 加快球磨进程 . 1 实验过程 采用北京科技大学的气雾化技术制备铝合金 粉末( Al -10 %Zn -3 %Mg -1.8 %Cu) .将粒度 -100μm的雾化粉末置于自制的搅拌式球磨机 中, 在液氮条件下进行球磨 .球磨罐和磨球材料 均为不锈钢, 球料质量比为 25∶1, 罐内温度 133 K, 主轴转速 200 r·min -1 .实验中添加少量硬脂 酸控制球磨进程, 防止粉末颗粒过分粘结. 为研究球磨后 Al-Zn-Mg-Cu 合金粉末的热 稳定性, 将球磨粉末置于 NETZSCH DSC-204 差 热分析仪中进行 DSC 实验, 氮气保护, 加热速率 10 K·min -1 .根据 DSC 实验结果, 将球磨粉末在 指定温度下真空等温热处理, 以研究其相变产物. 实验中先将球磨粉末在真空状态下密封于石英玻 璃管中, 然后置于 CWF13/5 箱式马弗炉中进行 加热 .控温精度为 ±2 K . 材料的晶粒尺寸和晶体结构采用 PHI LIPS 第 28 卷 第 7 期 2006 年 7 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.7 Jul.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.07.010