Mechanisches Legieren ist eine metallurgische Pulververarbeitungstechnik, die verwendet wird, um legierte Metalle aus elementaren und vorlegierten Pulvern herzustellen. Dieser zweiteilige Prozess wird durch Zerkleinern der Grundmaterialien in einer Kugelmühle und anschließendem Kaltschweißen erreicht. Der mechanische Legierungsprozess kann Designer-Superlegierungsmetalle erzeugen, die die wünschenswerten physikalischen Eigenschaften der verschiedenen elementaren Pulver, die bei ihrer Herstellung verwendet werden, erben. Aufgrund dieser Fähigkeit wurde der Prozess verwendet, um Superlegierungsmetalle herzustellen, die beim Bau von Raumfahrzeugen und Satellitenausrüstung verwendet werden.
Die erste Phase des Prozesses wird als Fraktur bezeichnet. Dies beinhaltet im Wesentlichen das Zerkleinern der Vorlegierungsmetalle oder -elemente in eine feine Pulverform. Durch das Zerkleinern der Grundwerkstoffe zu einem solchen Pulver werden im anschließenden Kaltschweißprozess bessere molekulare Bindungen gebildet. Um die Aufgabe des Brechens zu erfüllen, wird eine spezielle Art von Industriemahlwerk verwendet.
Die Kugelmühle ist ein rotierendes, tonnenförmiges Mahlwerk, das wie ein Steinbecher funktioniert. Beim mechanischen Legieren werden die kaltverschweißten Metalle zusammen mit Schleifkörpern in den Zylinder eingebracht. Während die Mahlmedien variieren können, gehören zu den gängigen Optionen Feuersteinkiesel und Keramik- oder Edelstahlkugeln. Wenn die Kugelmühle aktiviert wird, beginnt sich der Zylinder zu drehen und die Metall- und Mahlkörperkombination im Inneren taumelt. Wenn das Medium kaskadiert und fällt, zerkleinert es das Metall zu Pulver, um es für den nächsten Schritt des Prozesses vorzubereiten.
Der zweite Teil des mechanischen Legierungsprozesses ist das Kaltschweißen. Dabei werden die Pulver der Vorlegierungskomponenten unter dem extremen Druck eines Vakuums zusammengebracht. Die Metallpulver werden dann auf hohe Temperaturen erhitzt, bei denen ein Prozess namens Sintern auftritt und sich molekulare Bindungen bilden können. Diese hohen Temperaturen in Kombination mit dem Druck des Vakuums verschmelzen oder schweißen das Metallpulver im Wesentlichen zusammen, ohne dass es geschmolzen werden muss.
Kaltschweißen wird so genannt, weil die Metalle im Gegensatz zum herkömmlichen Schweißen nie geschmolzen werden. Anstatt die Metalle zu schmelzen, um eine Verschmelzung zu erreichen, wird das kaltgeschweißte Metall mit heißem isostatischem Druck (HIP) auf weniger als ein Grad von seiner Schmelztemperatur entfernt. Diese Temperatur wird als Rekristallisationspunkt bezeichnet. Die Verwendung von HIP im mechanischen Legierungsprozess hilft bei der Schaffung einer einheitlichen Korngröße in der gesamten Legierung. Es produziert auch hitzebeständige Metalle und Superlegierungen. Durch den Einsatz von HIP wird sichergestellt, dass jegliche molekulare Belastung durch den Kaltschweißprozess aufgehoben wird.