生产纳米晶碎片的方法技术

生产包含纳米晶微结构的制品的方法，尤其是可控地生产具有所需形状和尺寸的纳米晶碎片的方法。方法一般需要用切削工具机械加工物体产生具有纳米晶微结构的多晶碎片，同时在切削工具上叠加调制以便相对于正被机械加工的物体移动切削工具和造成在切削工具和物体之间接触点处的切削工具和物体之间的瞬时且周期性分离，其中切削工具和物体之间的每次分离都产生碎片。按照这种方式，碎片的形状和尺寸至少部分由调制循环确定，尤其是切削工具的时间长度与正被机械加工的物体衔接。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】 相关申请的交叉参考本申请要求2005年5月3日提交的美国临时申请 No.60/677,248的权益，并为2004年1月30日提交的共同待审美国专 利申请No.10/707,999的部分继续专利申请，美国专利申请 No.10/707,999为要求2000年10月28日提交的美国临时申请 No.60/244，087的权益的美国专利6,706,324的分案申请。本文引入这 些在先申请的内容作为参考。
技术介绍
本专利技术 一般涉及生产具有納米晶微结构的材料和制品的 方法，更具体地，涉及通过机械加工和然后使用纳米晶材料形成产品 来生产这样的材料和制品的方法。通过施加非常大的塑性应变使金属合金变形可获得巨大 益处。这些中最主要的是微结构细化和增强的机械和物理性质。目前 特别关注的是使用"严格"塑性变形(SPD, "severe" plastic deformation) 产生具有超细晶粒微结构(UFG, ultra-fine grained microstmctures)的本 体固体(bulk solids)，尤其是具有特征在于晶体中排列的其原子的公称 尺寸小于1孩i米的纳米晶结构(NS， nanocrystalline structures)。纟内米晶 固体变得引人关注是因为它们似乎具有有效的延性、可成形性和耐裂 紋扩展性，并具有令人感兴趣的化学、光、磁和电性质。纳米晶固体 还似乎对辐射和机械应力的反应与微晶材料(公称尺寸为1微米至小 于1毫米的晶体)有相当大不同，并且它们的反应可通过改变晶体尺寸 变化。通过固结纳米晶粉末制备的材料还表现出具有在常规材料中一 般不存在的增强属性。因此，纳米晶材料被认为具有用于工业应用的 相当大潜力，只要它们能以成本节约的方式制造即可。多阶段变形处理是研究由非常大的应变变形产生的微结 构变化的最广泛使用的试验方法之一。值得注意的例子包括轧制、拉 伸和等通道转角挤压(ECAE, equal channel angular extrusion)这类技 术。在这种方法中，通过多个阶段中变形的累积施加在试样中施加非4常大的塑性应变(4或更多个真实塑性应变)，每个变形阶段中的有效 应变为大约1。使用多阶段变形处理已在各种延性金属和合金中证明 微和纳米结晶结构的形成。但是，这类处理技术存在明显限制和缺陷。 明显限制是不能在非常强硬材料如工具钢中诱导大应变。其它限制包 括不能在单个变形阶段中施加远远大于1的应变、变形场的相当大不 确定性以及对变形场重要变量如应变、温度、应变率和相变的最小控 制，这些重要变量被预期对微结构和材料性质形成有主要影响。最广泛使用的合成纳米晶金属的技术是从气相冷凝金属 原子。在这种技术中，通过加热来蒸发金属，然后通过暴露于惰性气 体如氦气或氩气冷却蒸发的原子以防止化学反应，于是能保持金属的 纯度。冷却的原子凝结成尺寸一般在l-200nm范围内的单晶簇。陶瓷 纳米晶的产生是类似的，除了使蒸发的金属原子在允许它们凝结前与 合适的气体例如在氧化物陶瓷情况下为氧气反应。得到的晶体可被压 实并烧结形成制品，通常在比相同材料的微晶粉末所需温度低的烧结 温度下。尽管适合对粒度良好控制地制造粉末和小的压实样品，但凝 结方法目前对于除实验外的大多数应用来说不实用。凝结方法的特别 限制性方面是不能形成合金的纳米晶材料，因为从气相难以控制材料 组成。凝结方法的另一个限制性方面在于由于产生的纳米尺寸颗粒而 更难以获得高的未烧结密度(green densities)。被探索的合成纳米晶的 其它方法包括气溶胶、溶胶-凝胶、高能量球磨和水热法。但是，这些 技术不能以实际应用可接受的成本生产纳米晶材料。从上文可看出，如果更加可控和优选低成本方法可用于合 成用在产品制造中的纳米晶固体，则是理想的。如果这类方法能生产 各种材料包括难以或不能使用现有技术来加工的非常硬材料和合金 的纳米晶固体，则将是理想的。专利技术简述本专利技术提供一种生产包含纳米晶微结构的制品的方法，尤 其涉及一种可控地生产具有所需形状和尺寸的纳米晶碎片的方法。该方法通常需要用切削工具机械加工物体生产具有纳米 晶微结构的多晶碎片。特别地，以生产基本(essentially)由纳米晶组成 的碎片的方式机械加工物体，而生产基本由纳米晶组成的碎片是由于机械加工操作以施加足够大的应变变形的方式进行。物体可由各种材料形成，包括金属、金属合金、金属间化物(intermetallics)和陶瓷材料。 此外，物体可具有基本不含纳米晶的微结构，并甚至可具有单晶微结 构。通过机械加工操作生产的碎片可为颗粒(particulates)、带(ribbons)、 线(wires)、丝(filaments)和/或片(platelets)的形式。该方法还需要在切削工具上施加叠加调制(superimposed modulation)以便相对于正一皮机械加工的物体移动切削工具和造成切削 工具和物体在切削工具和物体之间接触点处的瞬间和定期分离，其中切削工具和物体之间的每次分离都产生碎片。按照这种方式，碎片的 形状和尺寸至少部分由调制(modulation)循环确定，尤其是由切削工具 与正祐:才几才成加工的物体啮合(engaged)的时间长度确定。粉碎)形成产品，从而/^品基本上;基。本或全部由纳米晶或由纳米;曰生 长的晶粒组成的纳米晶整体材料。或者，可将碎片分散在基质材料中， 从而产品为碎片作为增强材料被分散的复合材料。另 一种替代方案是 通过使碎片变形和/或从碎片中除去材料而完全由单一碎片形成整体制品。本专利技术的上述方面基于以下确定情况，即可通过在合适条 件下机械加工来产生非常大的应变变形，包括高应变率(strain rates) 如约0.5到约10的塑性应变和高达至106/秒的应变率，在材料中形成 纳米晶结构。被认为能产生合适纳米晶结构的机械加工方法包括切削 和研磨技术。切削速度似乎不是决定性的，使得如果使用切削工具执 行机械加工操作的话，可使用基本上任何切削速度。由于碎片的生产 方法为参数可被精确控制的机械加工操作，因此对于给定物体材料， 可精确和反复地得到碎片所需纳米晶微结构。此外，本专利技术的调制辅 助机械加工步骤能控制地生产用在各种应用中的具有各种晶粒尺寸 和宏观形状的碎片。可利用本专利技术对正被机械加工制品有最小影响地 实现纳米晶碎片的生产，从而可作为现有制造操作的有用副产物来生 产纳米晶碎片。鉴于上述内容，本专利技术提供一种合成可用于生产整体和复 合产品的纳米晶固体的可控和低成本方法。本专利技术的方法还能够由使 用现有技术难以或不能加工的材料如用多阶段变形处理不能加工的非常硬的材料和用凝结方法不能加工的合金生产纳米晶固体。从下面的详细描述中将更好地理解本专利技术的其它目的和 优点。附图简述附图说明图1示意地表示了根据本专利技术的实施方案用切削工具机 械加工物体。图2和3为通过本专利技术的调制辅助机械加工技术生产的纳 米晶碎片的扫描图。专利技术详述本专利技术提供一种通过调制的机械加工直接生产纳米晶碎 片的方法。直接由本体材料(bulk material),包括金属、金属合金、金 属间化物(intermetallics)和陶f:制造碎片。此外，本体材料可具有基本 不含纳米晶的微结构。选择机械加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机械加工物体产生碎片的方法，方法包括在切削工具上施加叠加调制的步骤，以便相对于正用切削工具进行机械加工的物体移动切削工具和造成在切削工具和物体之间接触点处的切削工具和物体之间的瞬时且周期性分离，其中切削工具和物体之间的每次分离都产生碎片。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：JB曼，MR尚卡，S钱德拉塞卡，WD坎普顿，W莫斯科索，
申请(专利权)人：普渡研究基金会，
类型：发明
国别省市：US[美国]