通过等离子球磨技术通过机械合金化快速合成Ti(C，N)粉末

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通过行星球磨和等离子辅助球磨在氮气气氛下由纯钛和石墨的混合物通过机械合金化合成Ti(C，N)粉末。结果表明，等离子球磨处理1 h后合成了Ti(C，N)粉体，而行星球磨7 h后仍然没有合成Ti(C，N)。等离子体作用提高了原子间的扩散速度和Ti(C，N)在球磨粉体表面的形核速度，从而加速Ti(C，N)的合成。
材料制备

使用了钛粉∶石墨粉以1∶0.7的摩尔比混合。使用行星式球磨机在0.4Mpa的纯氮气中以350r/min的转速进行不同时间的机械合金化。使用不锈钢罐体和直径为8mm和10mm硬质合金球在流动的氮气下进行等离子球磨处理，进行机械合金化。电源设备是低温等离子电源。
行星球磨合金化




图1不同行星球磨时间处理粉体的XRD图谱

球磨1h后，由于晶粒细化和内部晶粒的引入，C峰完全消失，Ti衍射峰强度明显降低。研磨4 h的样品衍射峰移到了较小的角度，这表明C和N原子溶解在Ti晶格中并形成过饱和固溶体。研磨7h后没有看到Ti(C，N)相的峰，8 h后，Ti(C，N)相的峰出现。Ti(C，N)是通过TiC和TiN的连续固溶体形成的单一化合物。根据计算，所得物中C与N之比为0.57∶0.43。



图2不同球磨时间粉末的SEM图像：(a)1h (b)4h (c)7h (d)8h

初始阶段，钛和石墨未均匀混合，尺寸约5μm的浅灰色钛颗粒明显被细化并粘附在纳米石墨(约400 nm)上。研磨4小时后的粒径为约3μm，脆性石墨通过球粉-球碰撞而破碎，并被捕获在易延展的Ti颗粒中。研磨7小时后，粉末继续细化。研磨至8小时后，由于Ti(C，N)的合成，粒径和形貌发生了显着变化。所得的Ti(C，N)粉末呈角形，大小约为6μm。
等离子球磨合金化




图3 等离子球磨处理粉体的XRD图谱

在等离子球磨1h的样品的衍射图中出现了与Ti(C，N)相对应的新相，这表明在随后在等离子处理下合成反应迅速发生。电弧放电下Ti(C，N)的合成取决于预研磨时间。研磨1h后，混合物中仅残留少量钛。随着研磨时间的增加，未反应的钛粉量逐渐减少。随着研磨时间延长至7小时，合成反应完全进行，获得的Ti(C，N)相的组成为TiC0.63N0.37，TiC0.79N0.21和TiC0.76N0.24。



图4等离子球磨处理粉末的SEM图像：(a)1h (b)4h (c)7h

  在图4(a)中，可以看到尺寸约为500nm的Ti(C，N)颗粒。如图4(b)和4(c)所示，与研磨后的颗粒相比，随后的电弧放电后的颗粒尺寸明显增加至2-7μm和1-4μm。
等离子球磨处理使得Ti(C，N)粉末的合成速度大大提高了。在氮等离子体作用下，氮离子在电场作用下轰击粉末表面并引起第二次电离，产生离子和自由基。粒子表面与离子和自由基之间的相互作用加速了原子氮和碳向钛晶格中的扩散以及碳氮化钛固溶体的形成。同时，通过电弧放电产生的焦耳热来加热粉末表面，这也加速了原子的扩散和Ti(C，N)的形成。
结论

l 等离子球磨处理1h后发生机械合金化反应，但行星球磨7h后未获得Ti(C，N)粉末，等离子球磨处理合金化效率更高
l 冷场等离子体中的离子和自由基之间的相互作用促进了Ti(C，N)的扩散和形成
上述研究成果来自于
Quan YUAN, Yong ZHENG, Hai-zhou YU. Rapid synthesis of Ti(C, N) powders by mechanical alloying and subsequent arc discharging[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011.
离子球磨技术由华南理工大学朱敏教授团队研制，是将冷场放电等离子体引入到机械振动球磨中，利用近常压下气体在球磨罐中形成高能量的非平衡等离子体和机械球磨的协同作用，促进粉末的组织细化、合金化、活性激活、化合反应及加速原位气-固相反应等，能极大的提高球磨效率，显著降低球磨污染，并形成独特的结构而显著提高材料的性能。