Влияние режима работы планетарной мельницы и газовой атмосферы на механическое сплавление порошков в системе Ni – Cu

В работе экспериментально исследована динамика формирования твердого раствора Ni–Cu  в процессе высокоэнергетической механической обработки (ВЭМО) смеси порошков Ni и Cu в планетарной мельнице, в зависимости от режима обработки и состава газовой атмосферы. Показано, что образование твердого раствора критически зависит от скорости планетарной мельницы: при скорости 300 об/мин взаимного растворения металлов не наблюдается, а при 694 об/мин твердый раствор образуется за относительно короткое время, не более 30 мин. В бескислородной атмосфере происходит интенсивная холодная сварка частиц, образуются крупные  (до 2…3 мм) дискообразные и овальные пластинки, которые затем окатываются и приобретают шарообразную форму. В атмосфере воздуха холодная сварка замедлена, а сами металлы становятся менее пластичными из-за поглощения кислорода. Это приводит к тому, что после ВЭМО в воздухе порошок состоит из более мелких частиц округлой и пластинчатой формы (до 300…400 мкм вдоль поверхности пластин, менее100 мкм поперек). Наиболее однородная структура твердого раствора формируется при обработке в атмосфере воздуха. Таким образом, оптимальным режимом механосинтеза металлических твердых растворов следует признать обработку  в планетарной мельнице со скоростью 500…700 об/мин в воздушной атмосфере. Сделанные выводы могут быть использованы для оптимизации механического синтеза металлических твердых растворов, в том числе высокоэнтропийных сплавов Кантора с гранецентрированной кубической структурой.

1. Koch CC, Whittenberger JD. Mechanical milling/alloying of intermetallics. Intermetallics. 1996; 4(5):339-355. DOI:10.1016/0966-9795(96)00001-5

2. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling. CRC Press; 2004. 488 p. DOI:10.1201/9780203020647

3. Koch CC. Synthesis of nanostructured materials by mechanical milling: problems and opportunities. Nanostructured Materials. 1997;9(1-8):13-22. DOI:10.1016/S0965-9773(97)00014-7

4. Hong SM, Park JJ, Park EK, Kim KY, et al. Fabrication of titanium carbide nano-powders by a very high speed planetary ball milling with a help of process control agents. Powder Technology. 2015;274:393-401. DOI:10.1016/j.powtec.2015.01.047

5. Akmal M, Malik A, Jeong W, Ryu HJ. Incorporating microstructural and mechanical heterogeneity to Ti–Zr–Nb alloy by partial high-energy ball milling. Materials Chemistry and Physics. 2024; 315:129037. DOI:10.1016/j.matchemphys.2024.129037

6. Zhang KB, Fu ZY, Zhang JY, Shi J, et al. Nanocrystalline cocrfenicual high-entropy solid solution synthesized by mechanical alloying. Journal of Alloys and Compounds. 2009;485(1-2):L31-L34. DOI:10.1016/j.jallcom.2009.05.144

7. Rogachev AS, Fourmont A, Kovalev DYu, Vadchenko SG, et al. Mechanical alloying in the Co–Fe–Ni powder mixture: experimental study and molecular dynamics simulation. Powder Technology. 2022;399:117187. DOI:10.1016/j.powtec.2022.117187

8. Shkodich NF, Kovalev ID, Kuskov KV, Kovalev DYu, et al. Fast mechanical synthesis, structure evolution, and thermal stability of nanostructured cocrfenicu high entropy alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2022;893:161839. DOI:10.1016/j.jallcom.2021.161839

9. Zhorin VA, Zharov AA, Kissin YuV, Yenikolopyan NS. Joint polymerization of styrene and methyl methacrylate at high pressures in combination with shear deformations. Doklady AN SSSR. 1974;219(3):647. (In Russ.)

10. Le Brun P, Gaffet E, Froyen L, Delaey L. Structure and properties of Cu, Ni and Fe powders milled in a planetary ball mill. Scripta Metallurgica et Materialia. 1992;26(11):1743-1748. DOI:10.1016/0956-716X(92)90545-P

11. Ramezani M, Neitzert T. Mechanical milling of aluminum powder using planetary ball milling process. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2012;55(2):790-798.

12. Bor A, Jargalsaikhan B, Uranchimeg K, Lee J, et al. Particle morphology control of metal powder with various experimental conditions using ball milling. Powder Technology. 2021;394:181-190. DOI:10.1016/j.powtec.2021.08.053

13. Pethő D, Kurusta T, Koncz-Horváth D, Kristály F, et al. Morphological and mechanical evolution of α-Al2O3 reinforced Mo Cu alloy obtained by planetary ball milling. Journal of Manufacturing Processes. 2023;103:1-10. DOI:10.1016/j.jmapro.2023.08.034

14. Rosenkranz S, Breitung-Faes S, Kwade A. Experimental investigations and modelling of the ball motion in planetary ball mills. Powder Technology. 2011;212(1):224-230. DOI:10.1016/j.powtec.2011.05.021

15. Rogachev AS, Moskovskikh DO, Nepapushev AA, Sviridova TA, et al. Experimental investigation of milling regimes in planetary ball mill and their influence on structure and reactivity of gasless powder exothermic mixtures. Powder Technology. 2015;274:44-52. DOI:10.1016/j.powtec.2015.01.009

16. Burmeister CF, Kwade A. Process engineering with planetary ball mills. Chemical Society Reviews. 2013;42(18):7660-7667. DOI:10.1039/c3cs35455e

17. Broseghini M, Gelisio L, D’Incau M, Azanza Ricardo CL, et al. Modeling of the planetary ball-milling process: the case study of ceramic powders. Journal of the European Ceramic Society. 2016;36(9):2205-2212. DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2015.09.032

18. Mhadhbi M. Modelling of the high-energy ball milling process. Advances in Materials Physics and Chemistry. 2021;11(01):31-44. DOI:10.4236/ampc.2021.111004

19. Kim KC, Jiang T, Kim NI, Kwon C. Effects of ball-to-powder diameter ratio and powder particle shape on edem simulation in a planetary ball mill. Journal of the Indian Chemical Society. 2022;99(1):100300. DOI:10.1016/j.jics.2021.100300

20. Rodriguez VA, Ribas L, Kwade A, Tavares LM. Mechanistic modeling and simulation of a wet planetary ball mill. Powder Technology. 2023;429:118901. DOI:10.1016/j.powtec.2023.118901

21. Gotor FJ, Achimovicova M, Real C, Balaz P. Influence of the milling parameters on the mechanical work intensity in planetary mills. Powder Technology. 2013;233:1-7. DOI:10.1016/j.powtec.2012.08.031

22. Vasamsetti S, Dumpala L, Subbarao VV. Optimization of milling parameters of planetary ball mill for synthesizing nano particles. International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2018;9(11): 1579-1589.

23. Real C, Gotor FJ. Effects of the speed ratio on the efficiency of planetary mills. Heliyon. 2019;5(2):e01227. DOI:10.1016/j.heliyon.2019.e01227

24. Dvornik M, Mikhailenko E. The influence of the rotation frequency of a planetary ball mill on the limiting value of the specific surface area of the WC and Conanopowders. Advanced Powder Technology. 2020;31(9):3937-3946. DOI:10.1016/j.apt.2020.07.033

25. Hirosawa F, Iwasaki T. Dependence of the dissipated energy of particles on the sizes and numbers of particles and balls in a planetary ball mill. Chemical Engineering Research and Design. 2021;167:84-95. DOI:10.1016/j.cherd.2020.12.024

26. Hirosawa F, Iwasaki T, Iwata M. Particle impact energy variation with the size and number of particles in a planetary ball mill. MATEC Web of Conferences. 2021;333:02016. DOI:10.1051/matecconf/202133302016