Verarbeitung von Bulk nanokristallinen Metallen bei der US Army Research Laboratory

Summary

Dieses Dokument enthält eine kurze Übersicht über die laufenden Bemühungen der Army Research Laboratory auf die Bearbeitung von Bulk nanokristallinen Metallen mit Betonung auf die Methoden für die Herstellung von neuartigen Metallpulver.

Abstract

Da ihr Potenzial für signifikante Eigenschaft Verbesserungen im Vergleich zu ihren großen gemaserten Gegenstücken, wurde viel Arbeit zur kontinuierlichen Weiterentwicklung von nanokristallinen Metallen gewidmet. Trotz dieser Bemühungen wurde der Übergang dieser Materialien aus dem Labortisch zu tatsächlichen Anwendungen blockiert durch die Unfähigkeit, großflächige Teile zu produzieren, die die gewünschte nanokristallinen Mikrostrukturen zu behalten. Im Anschluss an die Entwicklung einer Methode erwiesen, um die nanoskaligen Kornstruktur Temperaturen nähert sich der Schmelzpunkt für die gegebenen Metall zu stabilisieren hat die US Army Research Laboratory (ARL) in die nächste Phase in der Entwicklung dieser fortgeschritten Materialien – nämlich die Herstellung von großflächigen Teilen geeignet für die Prüfung und Bewertung in einer Reihe von einschlägigen Testumgebungen. Dieser Bericht enthält eine umfassende Übersicht über die laufenden Bemühungen in der Verarbeitung, Charakterisierung und Konsolidierung dieser Materialien im ARL. Insbesondere ist Schwerpunkt auf der Methodik zur Herstellung nanokristalliner Metallpulver, in kleinen und großen Mengen, die in der Mitte des laufenden Forschungsanstrengungen sind.

Introduction

Nanokristalline Metalle durch hochenergetische mechanischen legieren vorbereitet haben gezeigt, überlegene mechanischen Festigkeit im Vergleich zu grobkörnigen Gegenstücke auszustellen. Allerdings unterliegen durch die thermodynamischen Grundsätze diktiert, nanokristalline Mikrostruktur Korn Vergröberung bei erhöhten Temperaturen. Als solche ist Verarbeitung und Anwendungen dieser Materialien derzeit begrenzt durch stabilisierte Mikrostrukturen in loser Form zu erstellen. Angesichts des Potentials dieser Materialien, werden in dem Bemühen, solche Systeme zu entwickeln zwei primäre Methoden verfolgt. Das erste basiert auf einem kinetischen Ansatz nutzt verschiedene Mechanismen um eine pinning Kraft auf den Korngrenzen (GBs) anzuwenden, um Kornwachstum zu verhindern. Typische Mechanismen eingesetzt, um Pin sind die GBs Sekundärphasen (Zener-pinning)^1,2,3 und/oder gelösten ziehen Sie Effekte^4,5. Die zweite Methode basiert auf einem Ansatz Thermodynamik unterdrückt Kornwachstum durch die Reduzierung der GB freien Energie durch gelöste Atome Partitionierung auf die GBs^{6,7,8,9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}.

Der erste Schritt zur Entwicklung von mit ein Nanograined Gefüge Legierungen, entstand das grundlegende Verständnis in thermodynamischen und kinetischen Prinzipien Kornwachstum und mikrostrukturellen Stabilität bei erhöhten Temperaturen. Computational Material Science wurde auch verwendet, um Legierungsentwicklung zu führen. Verwenden diese Erkenntnisse, wurden mit hochenergetischen Fräsen und für ein breites Spektrum von physikalischen und mechanischen Eigenschaften bewertet kleinen viele verschiedenen Legierung Pulver hergestellt. Für die viel versprechender Systeme wurden erweiterte Charakterisierung Techniken entwickelt, um vollständig die Mikrostruktur des Pulvers mit der beobachteten Eigenschaften und Leistung zu verbinden.

Gleichzeitig wurde die Infrastruktur und Ausrüstung benötigt, um lose Komponenten von nanokristallinen Pulver produzieren erworben. Sobald diese Ausrüstung vorhanden war, wurde die Verarbeitung Wissenschaft Schüttgüter aus der Legierung Pulver voll konsolidieren müssen durch eine Reihe von kleinen Experimenten entwickelt. Sobald Masse Exemplare zur Verfügung standen, eine Reihe von Experimenten wurden durchgeführt, um das mechanische Verhalten dieser Materialien unter den unterschiedlichsten Bedingungen (z. B. Müdigkeit, kriechen, hohe Verformungsgeschwindigkeit, etc.) zu verstehen. Die Erkenntnisse aus diesen Experimenten wurde zur Einsatzmöglichkeit Räume zu entwickeln, mit denen die Kommerzialisierung der stabilisierten Massen nanokristalline Legierungen.

Kollektiv, hat die Erfüllung dieser Aufgaben zur Entwicklung innerhalb US Army Research Laboratory (ARL) eines nanokristallinen Metallen Forschungszentrums bestehend aus 4 wichtigsten Labors geführt. Diese Laborkomplex entspricht einem Investitionsvolumen von 20 Millionen US-Dollar und ist einzigartig, denn es erstreckt sich über Aspekte der Herstellung grundlegende und angewandte Wissenschaft. Der Hauptzweck von diesen Übungseinheiten soll Übergang Proof-of-Concept-Ideen auf Ebene der Pilot- und Pre-Produktion. Dabei wird erwartet, dass die Labs die Produktion von Prototypen ermöglichen, das nötige Know-how und die Herstellung von Wissenschaft für die Aufstockung Verarbeitung zu entwickeln und sowohl intern als auch Verbindungen zu externen Forschungsinstituten ermöglichen oder Partnern aus der Industrie über die Kommerzialisierung und des Übergangs dieser erweiterte Pulver-Technologie.

Wie bereits erwähnt, ist der erste Schritt zu erkennen, zu produzieren und neue Legierung Prototypen für beide Realisierbarkeit von Synthese und Herstellung in Prototypenteile schnell zu bewerten. Um dies zu erreichen, wurden mehrere einzigartige, individuell gestaltete hochenergetische Shaker Mühlen gebaut mit der Fähigkeit zu Pulver verarbeiten über einen weiten Temperaturbereich von-196 ° C bis 200 ° C. Wie der Name schon sagt, diese Mühlen produzieren etwa 10-20 g Feinstaub durch die heftigen Schütteln Aktion, die bewirkt, sich wiederholende Auswirkungen zwischen Pulver und Mahlkörper dass um Pulver zu produzieren, in dem jedes Partikel hat eine Komposition im Verhältnis zu, den ab elementare Trockenmischung. Während geeignet für die schnelle Screening von Pulvern, Mühlen dieser Art sind eindeutig nicht geeignet für Pulverherstellung auf (fast) industriellen Maßstab (z. B.., Kilogramm).

Angesichts der Notwendigkeit, Pulver in großen Mengen zu produzieren und in als kontinuierliche war ein Prozess wie möglich, eine Suche durchgeführt, potenziell lebensfähiger Methoden und Geräte zu identifizieren. Planetare Kugelmühlen verwenden eine Auflagescheibe die dreht in die entgegengesetzte Richtung von der vertikal ausgerichteten Fläschchen, wodurch Partikelgrößenreduktion durch Schleifen und Kollisionen verursacht durch Fliehkräfte. Losgrößen Sie für die meisten Planetenmühlen Reichweite bis zu ca. 2 kg. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mühlen Attritor Mühlen besteht aus einer Reihe von Laufrädern in eine vertikale Trommel. Die Drehung der Laufräder verursachen die Bewegung der Mahlkörper, wodurch Partikelgrößenreduktion durch Kollisionen mit Pulver, Kugeln und die Laufräder. Größere Attritor Mühlen sind in der Lage, mehr als 200 kg pro Durchlauf. Obwohl beide dieser Mühlen deutliche Steigerungen in Losgrößen relativ Shaker Mühlen bieten, müssen sie sind nicht in der Lage, in einer kontinuierlichen Weise ausgeführt sondern werden geladen und Entladen manuell für jeden Lauf.

Aufgrund dieser Mängel verlagert die Aufmerksamkeit auf eine Reihe von hochenergetischen, horizontal rotierende Kugelmühlen. Mehr als 200 kg pro Charge verarbeiten kann, diese Mühlen sind auch geeignet für den Betrieb unter inerter Atmosphäre sowie Vakuum. Schließlich wurde die Mahlkammer mit einer Luftschleuse entwickelt, das ermöglicht die schnelle und automatische Entfernung von Pulver nach Abschluss der Mahlprozess. In Kombination mit einer automatischen Pulver-Einspritzsystem, heißt das die Kugelmühle in ziemlich kontinuierlicher Weise, wodurch es ein sehr praktikable System für industriellen Umgebungen lauffähig ist. Durch diese Kombination von Merkmalen ARL hat vor kurzem gekaufte und installierende zwei Mühlen und jetzt beschäftigt sich mit upscaling interne Pulver Verarbeitung Bemühungen.

Während die Pulver Verarbeitung Bemühungen einen zentralen Aspekt der laufenden Bemühungen darstellen, sind auch die Charakterisierung und Konsolidierung der vielversprechendsten Legierung Pulver fokussierten Forschungsschwerpunkte. In der Tat, wie nachfolgend ARL hat nennenswerte Investitionen in die erforderlichen analytischen und Prüfgeräte benötigt, um die Hauptmerkmale der neuen Pulver vollständig zu bewerten. Darüber hinaus ermöglicht erfolgreiche Konsolidierung der Proben jetzt für konventionelle Vollausschlag mechanische Prüfung und Charakterisierung (zB., Spannung, Ermüdung, kriechen, Schock und ballistischen Auswertung) dieser Materialien, die in der Regel nicht möglich ist für diese Art von Material. Dieser Artikel berichtet die Protokolle bei ARL für die erste Synthese, Scale-Up, Konsolidierung und Charakterisierung von Schüttgut nanokristallinen Metallen und Legierungen genutzt.

Die beiden wichtigsten Labore für Pulver-Synthese ist in Abbildung 1ersichtlich. Abbildung 1A zeigt das kleine Pulver Verarbeitung Labor ermöglicht die schnelle Entwicklung von Konzepten und Legierung Design. Diese Übungseinheit enthält mehrere speziell angefertigte Hochenergie-Mühlen mit der Fähigkeit, Prozess-Pulver in einem bestimmten Temperaturbereich (Raumtemperatur bis 400 ° C) und 10 bis-196 ° C. Das Labor auch enthält eine benutzerdefinierte horizontale Rohrofen für die schnelle Bewertung der thermischen und mikrostrukturellen Stabilität ausgelegt (zB., Korn Wachstum Studien) der neuen Metall-Legierungen. Schließlich beherbergt das Labor auch mehrere einzigartige mechanische Modellprojekt Setups einschließlich Spannung, Scherung Punsch und Eindruck Creep Test Geräte sowie eine State-of-the-Art instrumentierte Nano-Eindringkörper. Einmal gründlich getestet und gezeigt versprechen, ausgewählten Legierungen werden verschoben, die groß angelegte Entwicklungslabor (Abbildung 1 b), wo die Konstruktion und Fertigung Protokolle erlauben große Skala entwickelt (zB., Kilogramm) Produktion von der spezielle Pulver. Insgesamt die Labs stellen Investitionen in der Größenordnung von 2 Millionen USD und deckt den Übergang von neuartigen Metallpulvern aus dem Labortisch zu den Pilotmaßstab Fertigungsstufen, wodurch die Produktion von Prototypen.

Hohe Energie Kugel Fräsen/mechanische legieren ist ein vielseitiges Verfahren zur Herstellung nanokristalliner Metalle und Legierungen in Pulver-Form-¹⁷. Beginnend mit grob gekörnten Pulver (in der Regel mittlere Körnung Größe ca. 5-10 µm), ist es möglich, nanokristallinen Pulver mit mittlere Körnung Größe < 100 nm nach dem Fräsen zu erhalten. Das Fräsen erfolgt routinemäßig in einer Vibrations/Shaker-Mühle. Das Fräsen Fläschchen ist gefüllt mit der gewünschten Menge an Pulver als auch Fräsen Kugeln, in der Regel aus rostfreiem Stahl. Diese Mühle schüttelt die Ampullen in einer Bewegung, die Schwingungen mit kurzen seitlichen Bewegungen mit einer Rate von etwa 1080 Zyklen min^-1hin und her geht. Mit jeder komplexen Bewegungen die Kugeln kollidieren miteinander, Wirkung gegen die Innenseite der Flasche und Deckel, und reduzieren Sie gleichzeitig das Pulver auf feinere Größe. Die kinetische Energie vermittelt in das Pulver ist gleich Hälfte der Masse mal dem Quadrat der durchschnittlichen Geschwindigkeit (19 m s^-1) der Lager. Die Mühle macht, zB. Energie pro Zeiteinheit, steigt mit der Frequenz der Mühle (15-26 Hz) geliefert. Nehmen die typische Anzahl der Kugeln und die niedrigste Frequenz bestimmten 20 h lang, übersteigt die Gesamtzahl der Auswirkungen 1,5 Milliarden. Während diese Auswirkungen erfährt das Pulver wiederholten Bruch und Kaltverschweißen bis zu dem Punkt, wo die Bestandteile auf atomarer Ebene gemischt werden. Mikroskopisch wird durch lokalisierte Verformung in Form von scher Bands sowie eine hohe Dichte von Versetzungen und Punktdefekte die Mikrostruktur bricht diese Misch- und Verfeinerung der Mikrostruktur erleichtert. Schließlich, wie die Hitze der Kollision die lokale Temperatur erhöht, tritt Rekombination und Vernichtung dieser Fehler im Steady-State mit ihrer Generation. Mangels Strukturen schließlich, obwohl Reorganisation, Ergebnis bei der Bildung von kleineren und kleineren hohen Winkel gleichgerichtete Körner. So ist Ball Fräsen ein Prozess, der starken plastischen Verformung durch das Vorhandensein einer hohen Dichte von Mängeln manifestiert induziert. Dieser Prozess ermöglicht erhöhte Diffusionsvermögen von gelösten Elementen und der Verfeinerung und Dispersion von Sekundärphasen und die allgemeine Nanostrukturierung der Mikrostruktur.

Hochenergie-Kryomahlen ist ein Mahlprozess ähnlich hohe Energie Kugel Fräsen mit Ausnahme der Tatsache, dass das Fräsen Fläschchen bei kryogenen Temperaturen während des Fräsprozesses aufrechterhalten wird. Um eine gleichmäßige Temperatur in der Durchstechflasche zu erreichen, wurde die Mühle wie folgt geändert. Fräsen-Fläschchen wird zuerst in einer Teflon-Hülle gelegt, dann mit einer Teflon-Kappe versiegelt ist. Die Hülse ist mit einem Dewar, enthält die entsprechenden Kryogen (flüssiger Stickstoff (LN₂) oder flüssiges Argon (LAr)) durch aus rostfreiem Stahl und Kunststoffschlauch verbunden. Die Kryogen fließt durch die Hülse während des Fräsvorganges abkühlen das Fräsen Fläschchen und pflegen das Fräsen Fläschchen bei der Siedetemperatur des Cryogen, z. B.-196 ° C für LN₂ und-186 ° C für LAr. Die niedrigen Temperaturen der kryogenen Verarbeitung führen zu die erhöhte Fragmentierung duktileren Metalle, die sonst bei Raumtemperatur gefräst werden kann nicht. Darüber hinaus die kryogenen Temperaturen thermisch aktivierten Diffusionsprozess Prozesse wie Kornwachstum reduzieren und Phasentrennung, wodurch erhöhte Verfeinerung der Mikrostruktur und Löslichkeit von unlöslichen Elementspezies.

Die hochenergetische horizontal rotierenden Kugelmühle ist eine energiereiche Fräsen System, das eine horizontale Edelstahl-Fräsen-JAR-Datei mit einem High-Speed-Rotor mit mehreren Lamellen befestigt auf einer Antriebswelle besteht. Das Pulver zu fräsenden ist im Inneren der Dose zusammen mit dem Fräsen Kugeln übertragen. Bewegung der Kugeln und Pulver wird durch die Drehung der Welle im Inneren der Dose erreicht. Die Welle dreht sich mit hoher Geschwindigkeit und Fräsen Stahl Kugeln kollidieren, beschleunigen und ihre kinetische Energie auf das Pulver zu übertragen. Die Palette der u/min ist 100-1000 und die durchschnittliche Geschwindigkeit der Kugeln ist 14 m s^-1. Vor allem Mühlen sind bedienbar über einer Strecke der Temperaturen (-30 ° C bis 200 ° C hoch) Fräsen ausgestattet und können unter Vakuum (mTorr) oder im Druckmodus (1500 Torr) (unter Verwendung verschiedener Deckel Gas) ausgeführt werden. Neben der Basiseinheit ist die Mühle mit Entlastung Trägereinheit Gas ausgestattet sowie Steckverbindungen, die das Be- und Entladen des Pulvers unter Inertgas Abdeckung ermöglicht. Dieses Gerät ist zusammen mit einem typischen 8 L Stahl Fräsen Jar (Abb. 2 b) in Abbildung 2A zu sehen. Neben der größeren Mühle hat ARL eine kleinere Mühle gekauft, die für die Ausführung unter flüssigem Stickstoff (Abbildung 2) umgewandelt wurde. Diese Mühle kann zwischen 100-400 g verarbeiteten Pulver pro laufendem Zyklus produzieren.

Protocol

1. kleine Skala Synthese von nanokristallinen Pulver unter Umgebungsbedingungen In einer kontrollierten Argon Atmosphäre Handschuhfach legen 10 g das primäre Element (zB., Fe in FeNiZr-Legierung) und 100 g Edelstahl/Werkzeugstahl Kugeln in das gewünschte Fräsen Glas Fräsen.Hinweis: Laden des Pulvers in Fräsen Glas in einem Handschuhfach ist erforderlich, um minimale Aufnahme in Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit Inhalt 18,19sicherzustel…

Representative Results

Ca. 10 g des Pulvers werden pro jeden Lauf in der Hochenergie-Shaker-Mühle produziert. Nach erfolgreichen Synthese neuartiger nanokristalline Metalle und Legierungen in Hochenergie-Shaker-Mühle ist skalieren in einer hochenergetischen horizontal rotierenden Kugelmühle durchgeführt. In der Regel werden nanostrukturierte Pulver mit hochenergetischen Fräsen Prozesse, wobei die Korngröße der eine kleine Menge Pulver verfeiner…

Discussion

Im Vergleich zu anderen Synthesetechniken, mechanischen legieren ist eine extrem vielseitige Methode für die Herstellung von Metall- und legierte Pulver mit Korngrößen << 100 nm. Mechanischen legieren ist einer der wenigen Möglichkeiten, welche große Mengen an nanostrukturierten Materialien leicht skalierbar und kostengünstig produziert werden können. Energiereiche Kugel Fräsen ist darüber hinaus nachweislich erheblich die Grenze der feste Löslichkeit in vielen metallischen Systemen erhöhen Gleichgewicht Raum…

Materials

Copper powder	Alfa Aesar	42623	Spherical, -100+325 mesh, 99.9%
Tantalum powder	Alfa Aesar	10345	99.97%, -325 mesh
Iron powder	Alfa Aesar	00170	Spherical, <10 micron, 99.9+%
Nickel powder	Alfa Aesar	43214	-325 mesh, 99.8%
Zirconium powder	American Elements	ZR-M-03-P	99.90%
SPEX mills (high energy shaker mills)	SPEX SamplePrep	8000M
Zoz mills (high energy horizontal rotary ball mill)	Zoz GmbH	CM01 (small mill) CM08 (large mill)
Focused Ion Beam	FEI	Nova600i Nanolab dual beam FIB/SEM
Scanning Electron Microscope	FEI	Nova600i Nanolab dual beam FIB/SEM
Precision Ion Polishing System	Gatan	Model 695
Transmission Electron Microscope	JEOL	2100F	multipurpose field emission TEM
Atom Probe Tomography	CAMECA	LEAP 5000XR
Equal Channel Angular Extrusion	ShearForm	custom built
Hot Isostatic Press	Matsys