Lavorazione dei metalli nanocristallini Bulk presso la US Army Research Laboratory

Summary

Questo documento fornisce una breve panoramica degli sforzi in corso presso il laboratorio di ricerca dell’esercito sul trattamento dei metalli nanocristallini massa con un’enfasi sulle metodologie utilizzate per la produzione di polveri di metallo romanzo.

Abstract

Dato il loro potenziale per miglioramento delle proprietà significative rispetto al loro controparti grana grande, molto lavoro è stato dedicato per il costante sviluppo di metalli nanocristallini. Nonostante questi sforzi, la transizione di questi materiali da banco di laboratorio per applicazioni reali è stata bloccata dall’incapacità di produrre pezzi su larga scala che conservano le microstrutture nanocristallino desiderata. In seguito allo sviluppo di un metodo provato per stabilizzare la struttura del grano di dimensioni nanometriche a temperatura vicina a quella del punto di fusione del metallo determinato, il US Army Research Laboratory (ARL) è progredito alla fase successiva nello sviluppo di questi materiali – vale a dire la produzione di ricambio per test e valutazione in una gamma di ambienti di test pertinenti su larga scala. Questo rapporto fornisce un’ampia panoramica degli sforzi in corso all’elaborazione, la caratterizzazione e il consolidamento di questi materiali alle ARL. In particolare, si concentra sulla metodologia utilizzata per la produzione di polveri metalliche la nanocristallino, in quantità piccole e grandi, che sono al centro degli sforzi di ricerca in corso.

Introduction

Nanocristallino metalli preparati da alligazione meccanica ad alta energia sono stati indicati per esibire una forza meccanica superiore rispetto ai loro omologhi a grana grossa. Tuttavia, come dettato dai principi termodinamici, nanocristallino microstrutture sono soggetti a grano involgarimento alle temperature elevate. Come tale, l’elaborazione e le applicazioni di questi materiali attualmente è limitato dalla capacità di creare microstrutture stabilizzate in forma sfusa. Dato il potenziale di questi materiali, due metodi principali sono perseguiti nel tentativo di sviluppare tali sistemi. Il primo, basato su un approccio cinetico, utilizza diversi meccanismi per applicare una forza appuntante su contorni di grano (GBs) al fine di prevenire la crescita del grano. Meccanismi tipici impiegati al pin che il GBs è fasi secondarie (Zener pinning)^1,2,3 e/o soluto trascinare effetti^4,5. Il secondo metodo, basato su un approccio di termodinamica, sopprime la crescita del grano, riducendo l’energia libera di GB attraverso atomi di soluto partizionamento a GBs^{6,7,8,9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}.

Come il primo passo per lo sviluppo di leghe con una microstruttura di nanograined, è stata istituita la comprensione fondamentale dei principi termodinamici e cinetici che regolano la crescita del grano e microstrutturali stabilità alle temperature elevate. Scienza dei materiali computazionale è stato anche utilizzato per guidare lo sviluppo della lega. Utilizzando queste intuizioni, un sacco di piccola scala di varie polveri in lega sono state prodotte utilizzando ad alta energia di fresatura e valutati per una vasta gamma di proprietà fisiche e meccaniche. Per i sistemi più promettenti, tecniche avanzate di caratterizzazione sono state sviluppate al fine di collegare completamente la microstruttura della polvere la proprietà osservate e le prestazioni.

Contemporaneamente, le infrastrutture e le attrezzature necessarie per produrre i componenti di massa dalle polveri fini nanocristallino è stata acquisita. Una volta che questa apparecchiatura era a posto, la scienza di elaborazione necessaria per consolidare pienamente materiali alla rinfusa dalle polveri fini della lega è stata sviluppata attraverso una serie di esperimenti su piccola scala. Una volta che i campioni alla rinfusa erano disponibili, sono state eseguite una serie di esperimenti per capire la risposta meccanica di questi materiali sotto una vasta gamma di condizioni (ad esempio, fatica, creep, velocità di deformazione ad alta, ecc.). Le conoscenze acquisite da questi esperimenti sono stata utilizzata per sviluppare spazi di possibile applicazione che consentiranno la commercializzazione delle leghe nanocristallino stabilizzato alla rinfusa.

Collettivamente, queste attività di riunione ha portato allo sviluppo all’interno di US Army Research Laboratory (ARL) di un centro di ricerca di metalli nanocristallini composto da 4 laboratori di principale. Questo laboratorio complesso rappresenta un investimento complessivo di 20 milioni di USD ed è unico in quanto si estende su aspetti della scienza fondamentale, applicata e produzione. Lo scopo principale di questi laboratori è quello di idee di proof-of-concept di transizione a livello su scala pilota e pre-produzione. In tal modo, si prevede che i laboratori consentono la produzione di prototipi, sviluppare il know-how necessario e scienza per l’elaborazione su vasta scala di produzione e consentire collegamenti internamente anche per quanto riguarda gli istituti di ricerca esterni o partner industriali tramite la commercializzazione e la transizione di questa tecnologia avanzata in polvere.

Come indicato in precedenza, il primo passo è identificare, produrre e valutare velocemente nuovi prototipi di lega per entrambi fattibilità della sintesi e fabbricazione in parti del prototipo. A tale scopo, sono stati costruiti diversi mulini di shaker unici, personalizzati ad alta energia con la capacità di elaborare polveri sopra una vasta gamma di temperature da-196 ° C a 200 ° C. Come suggerisce il nome, questi mulini producono circa il 10-20 g di polveri fini attraverso l’azione di scuotimento violento che provoca impatti ripetitivi tra polvere e rettifica media per produrre polveri in cui ogni particella ha una composizione in proporzione alla a partire di mix di polvere Elementale. Mentre è adatto per lo screening rapido di polveri, mulini di questo tipo non sono chiaramente adatti per produzione della polvere su scala industriale (vicino) (ad es., chilogrammi).

Data la necessità di produrre polvere in grande quantità e a come continuo un processo possibile, una ricerca è stato intrapresa per identificare metodi potenzialmente realizzabili e le attrezzature. Mulini planetari a sfere utilizzano un disco di supporto che ruota in direzione opposta dai flaconcini orientati verticalmente, con conseguente riduzione delle dimensioni delle particelle a causa di macinazione e collisioni causate da forze centrifughe. Lotto dimensioni per maggior parte dei Mulini planetari sino a circa 2 kg. A differenza dei tradizionali mulini, mulini attritor è costituito da una serie di giranti all’interno di un tamburo verticale. La rotazione delle ventole causare il movimento di macinazione media, con conseguente riduzione delle dimensioni delle particelle attraverso collisioni tra polvere, palle e le giranti. Più grande attritor mulini sono in grado di produrre oltre 200 kg per ciclo. Sebbene entrambi questi mulini offrono aumenti significativi in lotti relativi mulini shaker, essi non sono in grado di funzionare in modo continuo, ma deve piuttosto essere caricati e scaricati manualmente per ogni esecuzione.

A causa di queste carenze, l’attenzione è spostata a una serie di alta energia, mulini a sfere rotanti orizzontali. In grado di elaborare per quanto 200 kg per ogni batch, questi mulini sono anche in grado di operare in atmosfere inerti come vuoto. Infine, la camera di fresatura è stata progettata con una camera di compensazione che permette la rimozione rapida e automatica della polvere una volta che è stato completato il processo di fresatura. Combinato con un sistema di iniezione di polvere automatico, ciò significa che il laminatoio di sfera è in grado di eseguire in modo abbastanza continuo, rendendo così un sistema altamente valido per ambienti industriali. A causa di questi combinazione di caratteristiche, ARL ha recentemente acquistati e installati due mulini e ora è impegnato in upscaling sforzi di elaborazione interna in polvere.

Mentre gli sforzi di elaborazione polvere rappresentano un aspetto centrale delle iniziative in corso, la caratterizzazione e il consolidamento delle polveri in lega più promettenti sono anche aree di ricerca mirata. Infatti, come dettagliato di seguito, ARL ha fatto notevoli investimenti in sufficientemente analitici e testare le apparecchiature necessarie per valutare pienamente le caratteristiche principali delle nuove polveri. Inoltre, permette di riuscita del consolidamento dei campioni ora per prove meccaniche convenzionale fondoscala e caratterizzazione (ad es., tensione, fatica, creep, shock e valutazione balistica) di questi materiali che in genere non è fattibile per questa classe di materiale. Questo articolo segnala i protocolli utilizzati presso ARL per sintesi iniziale, scale-up, consolidamento e caratterizzazione di massa nanocristallino metalli e leghe.

I due laboratori principali per la sintesi di polvere possono essere visto nella Figura 1. Figura 1A Mostra il trattamento lab che consente il rapido sviluppo di concetti e design in lega di polvere su piccola scala. Questo laboratorio contiene diversi mulini personalizzati ad alta energia con la capacità di processo polveri sopra una gamma di temperature (temperatura di 400 ° C) e 10 a-196 ° C. Il laboratorio contiene anche una fornace di tubo orizzontale personalizzato progettata per la rapida valutazione della stabilità termica e microstrutturali (ad es., gli studi della crescita del grano) di nuove leghe metalliche. Infine, il laboratorio ospita anche diverse configurazioni di test meccanici su piccola scala unico tra cui tensione, shear punch e test di dispositivi, così come un nano-indentatore strumentato di state-of-the-art di scorrimento di impressione. Una volta testato e dimostrato promessa, leghe selezionati vengono spostati al laboratorio di lavorazione su larga scala (Figura 1B), dove l’ingegneria e la produzione di protocolli vengono sviluppati per consentire su larga scala (ad es., chilogrammo) produzione della specifico di polvere. In totale, i laboratori rappresentano un investimento complessivo dell’ordine di 2 milioni di USD e copre la transizione del romanzo polveri metalliche da banco di laboratorio per i livelli di produzione su scala pilota, consentendo la produzione di prototipi.

Ad alta energia palla fresatura meccanica di lega è un processo versatile per produrre nanocristallino metalli e leghe in polvere modulo¹⁷. A partire da polveri di grana grosse (in genere media granulometria ~ 5-10 μm), è possibile ottenere polveri nanocristallino con grana media dimensione < 100 nm dopo la macinazione. La fresatura è effettuata ordinariamente in un mulino di vibranti/shaker. Il flaconcino di fresatura è riempito con la quantità desiderata di polvere, come pure le palle di fresatura, in genere in acciaio inox. Questo mulino scuote le fiale in un movimento che coinvolge avanti e indietro le oscillazioni con brevi movimenti laterali a una velocità di circa 1080 cicli min^-1. Con ogni movimento complessi le palle si scontrano tra loro, impatto contro l’interno del flaconcino e il coperchio e contemporaneamente riducono la polvere a dimensioni più sottili. L’energia cinetica impartita nella polvere è uguale alla metà della massa volte il quadrato della velocità media (19 m s^-1) dei cuscinetti. Il potere del laminatoio, ad es. l’energia trasportata per unità di tempo, aumenta con la frequenza del mulino (15-26 Hz). Prendendo il tipico numero di palle e la frequenza più bassa per un periodo determinato 20 h, il numero totale degli impatti supera 1,5 miliardi. Durante questi impatti la polvere subisce ripetuti di fratturazione e cold-welding fino al punto in cui i costituenti si mescolano a livello atomico. Microscopicamente, la miscelazione e la raffinatezza della microstruttura è facilitata da deformazione localizzata in forma di bande di taglio, nonché un’elevata densità di dislocazioni e difetti puntuali che rompe la microstruttura. Alla fine, come il calore di collisione aumenta la temperatura locale, ricombinazione e annientamento di questi difetti si verifica in uno stato di costante con la loro generazione. Il difetto delle strutture però alla fine, riorganizzazione, risultato nella formazione di grani equiassiale più piccolo e più piccolo alto angolo. Così, palla fresatura è un processo che induce grave deformazione plastica che si manifesta con la presenza di un’alta densità di difetti. Questo processo permette aumentata diffusività del soluto elementi e la raffinatezza e la dispersione delle fasi secondarie e la nanostrutturazione complessiva della microstruttura.

Cryomilling ad alta energia è un processo di fresatura simile alla fresatura di palla alta energia tranne per il fatto che il flaconcino di fresatura viene mantenuto a temperatura criogenica durante il processo di fresatura. Al fine di ottenere una temperatura uniforme nel flaconcino, il mulino è stato modificato come segue. Il flacone di fresatura in primo luogo è posto all’interno di un manicotto di Teflon che viene quindi sigillato con un tappo in Teflon. Il manicotto è collegato a un dewar contenente criogeno appropriato (liquido azoto (LN₂) o argon liquido (LAr)) attraverso in acciaio inox e tubi in plastica. Criogeno scorre attraverso la manica durante tutto il processo di fresatura per raffreddare il flaconcino di fresatura e mantenere il flacone di fresatura alla temperatura di ebollizione del criogeno, ad esempio-196 ° C per LN₂ e -186 ° C per LAr. Le basse temperature del trattamento criogenico portano alla frammentazione aumentata dei metalli più duttili che altrimenti non può essere lavorato a temperatura ambiente. Inoltre, riducono le temperature criogeniche diffusionale termicamente attivati processi come la crescita del grano e separazione di fase consentendo in tal modo aumentata raffinatezza della microstruttura e la solubilità delle specie elementare insolubile.

Il laminatoio di sfera rotante orizzontale di alta energia è un ad alta energia sistema costituito da un vaso di fresatura orizzontale in acciaio inox con un rotore ad alta velocità con diverse lame fissate su un albero motore di fresatura. La polvere di fresatura viene trasferita all’interno del vaso con le palle di fresatura. Movimento delle palle e polvere è ottenuta attraverso la rotazione dell’albero all’interno del vaso. L’albero della ruota ad alta velocità e le sfere di macinazione in acciaio si scontrano, accelerano e trasferiscono la loro energia cinetica per le polveri. La gamma di giri/min è 100-1000 e la velocità media delle palle è 14 m s^-1. In particolare, i mulini sono attrezzati per funzionare in un range di temperatura (-30 ° C a 200 ° C alta) di fresatura e possono essere eseguiti sotto vuoto (mTorr) o in modalità di pressione (1500 Torr) (che utilizza vari tipi di copertura di gas). Oltre all’unità base, il mulino è dotato di un’unità di scarico gas vettore nonché gli assembly di connessione che permette il carico e lo scarico di polvere sotto copertura di gas inerte. Questo apparecchio può essere visto nella Figura 2A con un tipico acciaio 8L fresatura vaso (Figura 2B). Oltre il più grande mulino, ARL ha acquistato un mulino più piccolo che è stato convertito per l’esecuzione in azoto liquido (Figura 2). Questo mulino può produrre tra 100-400 g di polvere trasformata al ciclo di esecuzione.

Protocol

1. piccola scala sintesi di polveri nanocristallino in condizioni ambientali In un’atmosfera controllata argon glove box, posto 10 g dell’elemento primario (ad es., Fe in lega di FeNiZr) e 100 g di acciaio inox/strumento fresatura palle nel vaso di fresatura desiderata.Nota: Il caricamento di polvere in vaso all’interno di un vano portaoggetti di fresatura è necessario per garantire minimo assorbimento di ossigeno e/o umidità contenuto 18,19</s…

Representative Results

Circa 10 g di polvere sono prodotte per ogni corsa del mulino di agitatore ad alta energia. Dopo la riuscita sintesi tra romanzo nanocristallino metalli e leghe in mulino agitatore ad alta energia, la scalabilità è condotto in un laminatoio di sfera rotante orizzontale di alta energia. In genere, polveri nanostrutturate vengono generati utilizzando alta energia fresatura processi, in cui la granulometria di una piccola quantit…

Discussion

Rispetto ad altre tecniche di sintesi, alligazione meccanica è un metodo estremamente versatile per la produzione di polveri metalliche e legate con granulometrie << 100 nm. Infatti, alligazione meccanica è uno dei pochi modi in cui grandi volumi di nanostrutturati materiali possono essere prodotto in modo conveniente e facilmente scalabile. Inoltre, fresatura ad alta energia palla ha dimostrato di aumentare notevolmente il limite di solubilità solida in molti sistemi metallici in cui non esiste altrimenti solubilit?…

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