Bearbetning av Bulk nanokristallin metaller vid US Army Research Laboratory

Summary

Detta dokument ger en kort översikt över de pågående insatserna vid Army Research Laboratory på bearbetning av bulk nanokristallin metaller med betoning på de metoder som används för produktion av de romanen metallpulver.

Abstract

Givet sin potential för betydande egendom förbättringar i förhållande till deras stora kornat motsvarigheter, har mycket arbete ägnats åt fortsatt utveckling av nanokristallin metaller. Trots dessa ansträngningar, har övergången av dessa material från lab bänken till faktiska tillämpningar blockerats av oförmåga att producera storskaliga delar som behåller de önskade nanokristallin mikrostrukturer. Efter utvecklingen av en metod som visat för att stabilisera nanosized kristallkorn för temperaturer närmar sig smältpunkten för viss metallen, den amerikanska armén forskning laboratorium (ARL) har kommit till nästa steg i utvecklingen av dessa material – nämligen produktionen av storskaliga delar som är lämpliga för test och utvärdering inom en rad relevanta testmiljöer. Denna rapport ger en bred översikt över de pågående insatserna i bearbetning, karakterisering och konsolidering av dessa material på ARL. Särskilt läggs fokus på den metod som används för att producera de nanokristallin metallpulver, i såväl stora som små mängder, som är i mitten av pågående forskningsinsatser.

Introduction

Nanokristallin metaller utarbetats av hög energi mekaniska legeringselement har visat sig uppvisar överlägsen mekanisk styrka jämfört med deras grovkorniga motsvarigheter. Som dikteras av termodynamiska principer, omfattas nanokristallin mikrostrukturer emellertid korn förgrovning vid förhöjda temperaturer. Som sådan, begränsas bearbetning och tillämpningar av dessa material för närvarande av möjligheten att skapa stabiliserad mikrostrukturer i bulkform. Med tanke på potentialen i dessa material, förs två primära metoder i ett försök att utveckla sådana system. Först, baserade på en kinetic, använder tredjeparts flera mekanismer för att tillämpa en fastnålnings kraft på korngränserna (GBs) för att förhindra korn tillväxt. Typiska mekanismer sysselsatt till stift GBs är sekundära faser (Zener fastlåsning)^1,2,3 och/eller solute dra effekter^4,5. Den andra metoden, baserade på en termodynamik, undertrycker korn tillväxt genom att minska GB fri energi genom lösningens atomer partitionering till GBs^{6,7,8,9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}.

Som det första steget att utveckla legeringar med en nanograined mikrostruktur, inrättades den grundläggande förståelsen i termodynamiska och kinetiska principer som styr korn tillväxt och Mikrostrukturens stabilitet vid förhöjda temperaturer. Tillämpad materialvetenskap användes också att vägleda legering utveckling. Använder dessa insikter, producerades liten skala massor av olika alloy pulver med hjälp av hög energi fräsning och utvärderas för ett brett spektrum av fysiska och mekaniska egenskaper. För de mer lovande system utvecklades avancerad karakterisering tekniker för att helt koppla mikrostrukturen i pulvret observerade egenskaper och prestanda.

Samtidigt, förvärvades den infrastruktur och utrustning som behövs för att producera bulk komponenter från nanokristallin pulver. När denna utrustning var på plats, utvecklades bearbetning vetenskapen krävs för att fullständigt konsolidera bulkmaterial från de alloy pulver genom en serie av småskalig experiment. När bulk exemplar fanns tillgängliga, en serie experiment utfördes för att förstå den mekaniska Svaren av dessa material under ett brett spektrum av tillstånd (t.ex. trötthet, krypning, hög stam takt, etc.). Den kunskapen från dessa experiment har använts för att utveckla eventuell tillämpning utrymmen som gör det möjligt för kommersialisering av stabiliserad bulk nanokristallin legeringarna.

Gemensamt har möte dessa uppgifter lett till utvecklingen inom den amerikanska armén forskning laboratorium (ARL) för en nanokristallin metals research center bestående av 4 huvudsakliga labs. Detta laboratorium komplexa representerar en total investering på 20 miljoner USD och är unikt genom att det spänner över aspekter av grundläggande, tillämpad och tillverkning vetenskap. Det primära syftet med dessa övningar är att övergången proof-of-concept idéer till pilotskala och före tillverkning nivåer. Så det förväntas att labben kommer att möjliggöra produktion av prototyp delar, utvecklar de nödvändiga kunnandet och tillverkning vetenskap för skalas upp bearbetning och möjliggör kopplingar såväl internt om externa forskningsinstitut eller industriella partners via kommersialisering och övergången av denna avancerade pulver teknik.

Som nämnts tidigare, är det första steget att identifiera, producera och snabbt bedöma nya legering prototyper för båda genomförbarheten av syntes och tillverkning prototyp delgrunder. För att åstadkomma detta, har det byggts flera unika, specialdesignade hög energi shaker mills med kapacitet att bearbeta pulver över ett brett spektrum av temperaturer från-196 ° C till 200 ° C. Som namnet antyder, dessa kvarnar producera cirka 10-20 g fina pulver genom den våldsamma skakningar åtgärd som orsakar repetitiva effekterna mellan pulver och slipning media för att producera pulver där varje partikel har en sammansättning i förhållande till den Start elementärt pulverblandning. Även lämplig för snabb screening av pulver, kvarnar av denna typ är tydligt inte lämpliga för pulver produktion på (nära) industriell skala (t.ex., kg).

Med tanke på behovet att producera pulver i stora mängder och som kontinuerlig en process som möjligt, en sökning var företa sig att identifiera potentiellt bärkraftiga metoder och utrustning. Planetariska kulkvarnar använda en diskett som roterar i motsatt riktning från lodrätt orienterad injektionsflaskorna, vilket resulterar i partikel storleksminskning på grund av både slipning och kollisioner orsakade av centrifugalkraften. Lot storlekar för de flesta planetariska mills räckvidd upp till ca 2 kg. Till skillnad från konventionella kvarnar, attritor mills består av en serie av pumphjul inuti en vertikal trumma. Rotation av impellersna orsaka slip media, vilket resulterar i partikel storleksminskning genom kollisioner mellan pulver, bollar och Fläkthjulen rörelse. Större attritor mills är kapabel att producera över 200 kg per körning. Även om båda dessa kvarnar erbjuder betydande ökningar i partistorlekar i förhållande till shaker mills, måste de är inte kan köra på ett fortlöpande sätt men snarare vara lastats och lossats manuellt för varje körning.

På grund av dessa brister skiftade uppmärksamhet till en serie av hög energi, horisontella roterande kulkvarnar. Kan bearbeta så mycket som 200 kg per parti, dessa kvarnar är också kan arbeta under inert atmosfär samt vakuum. Slutligen, fräsning kammaren har utformats med en luftsluss som möjliggör snabb och automatisk borttagning av pulver när fräsning processen har slutförts. Kombinerat med en automatisk pulver insprutningssystem, innebär detta att bollen kvarnen kan köra i en ganska kontinuerligt sätt, vilket gör det ett mycket lönsamt system för industriella miljöer. På grund av dessa kombination av funktioner, ARL har nyligen köpta och installerade två kvarnar och är nu engagerad i uppskalning inre pulver bearbetning ansträngningar.

Medan de pulver bearbetning insatserna utgör en central aspekt av pågående ansträngningar, är karakterisering och konsolidering av de mest lovande alloy pulver också fokuserad forskningsområden. Faktiskt, som anges nedan, ARL har gjort betydande investeringar i nödvändiga analytiska och testutrustning behövs för att fullt ut utvärdera nyckel dragen av ny pulver. Dessutom lyckad konsolidering av prover nu möjliggör konventionella full skala mekanisk provning och karakterisering (t.ex., spänning, trötthet, krypa, chock och ballistiska utvärdering) av dessa material som vanligtvis inte har varit möjligt för denna klass av material. Denna artikel rapporterar de protokoll som används på ARL för inledande syntes, skala upp, konsolidering och karakterisering av bulk nanokristallin metaller och legeringar.

De två huvudsakliga labs för pulver syntes kan ses i figur 1. Figur 1A visar småskaliga pulvret bearbetning lab som möjliggör snabb utveckling av begrepp och aluminiumlegering design. Övningen innehåller flera specialdesignade hög energi kvarnar med förmåga att processen pulver över en rad temperaturer (rumstemperatur till 400 ° C) och 10 till-196 ° C. Labbet innehåller också en anpassad horisontella röret ugn utformad för snabb bedömning av den termiska och Mikrostrukturens stabiliteten (t.ex., korn tillväxt studier) av nya metallegeringar. Slutligen, inrymmer labbet också flera unika småskaliga mekaniska test uppställningar inklusive spänning, skjuvning punsch och intryck krypning testning enheter, liksom en state-of-the-art instrumenterade nano-indenter. När noggrant testade och visad löfte, utvalda legeringar flyttas till storskaliga bearbetning labbet (figur 1B), där teknik och tillverkning protokoll är utvecklade för att tillåta storskaliga (t.ex., kilogram) produktionen av de specifika pulver. Totalt labben innebär en total investering på order av 2 miljoner USD och täcker övergången av romanen metallpulver från lab bänken till pilotskala tillverkning nivåer, vilket möjliggör produktion av prototyp delar.

Hög energi bollen fräsning/mekaniska legeringsämnen är en mångsidig process för att producera nanokristallin metaller och legeringar i pulver form¹⁷. Start med grova finkornigt pulver (vanligtvis menar korn storlek ~ 5-10 µm), är det möjligt att erhålla nanokristallin pulver med genomsnittlig korn storlek < 100 nm efter fräsning. Denna fräsning utförs rutinmässigt i en vibrerande/shaker kvarn. Injektionsflaskan med fräsning är fylld med önskad mängd pulver samt fräsning bollar, vanligtvis rostfritt stål. Denna kvarn skakar injektionsflaskorna i en rörelse som innebär och tillbaka svängningar med kort laterala rörelser med en hastighet av cirka 1080 cykler min^-1. Med varje komplex rörelse bollar kolliderar med varandra, får effekt mot insidan av flaskan och locket, och minska samtidigt pulvret till finare storlek. Den kinetiska energin förmedlas till pulvret är lika med hälften massa gånger kvadraten av den genomsnittliga hastigheten (19 m s^-1) av lager. Mill makt, t.ex. energin som levereras per tidsenhet, ökar med frekvensen av kvarnen (15-26 Hz). Det totala antalet effekter tar typiska antalet bollar och den lägsta frekvensen under en given 20 h, och överstiger 1,5 miljarder. Under dessa effekter genomgår pulvret upprepade sprickbildning och cold-welding fram till den punkt där beståndsdelarna blandas på atomnivå. Mikroskopiskt underlättas denna blandning och förfining av mikrostrukturen av lokaliserade deformation i form av skjuvning band samt en hög täthet av dislokationer och punkt defekter som bryter ner mikrostrukturen. Så småningom, som värmen i kollision höjer den lokala temperaturen, uppstår rekombination och förintelse av dessa defekter vid steady-state med deras generation. Defekten strukturer så småningom, men omorganisation, resultera i bildandet av mindre och mindre hög vinkel likaxlig korn. Ball fräsning är alltså en process som inducerar svår plastisk deformation manifesteras genom närvaron av en hög täthet av defekter. Denna process möjliggör ökad diffusivitet av koncentrationsgradient element och förfining och spridning av sekundära faser och den övergripande nanostructuring av mikrostrukturen.

Hög energi cryomilling är en fräsning processen liknar hög energi bollen fräsning förutom det faktum att injektionsflaskan fräsning upprätthålls vid kryogen temperatur under fräsning processen. För att uppnå en jämn temperatur i injektionsflaskan, har kvarnen ändrats enligt följande. Injektionsflaskan med fräsning är först placerad inuti en Teflon-hylsa som sedan försluts med ett Teflon-cap. Hylsan är ansluten till en dewar innehållande den lämpliga cryogen (flytande kväve (LN₂) eller flytande argon (LAr)) genom rostfritt stål och plaströr. Cryogen flödar genom ärmen under fräsning processen svalna fräsning injektionsflaskan och upprätthålla fräsning injektionsflaskan vid cryogen, såsom för LN₂ och -186 ° C för LAr-196 ° C kokande temperatur. De låga temperaturerna av kryogen behandling leda till en ökad fragmentering av mer duktila metaller som annars inte kan malas i rumstemperatur. Dessutom de kryogena temperaturerna minskar termiskt aktiverade tröghetsseparation processer såsom spannmål tillväxt och fasseparering vilket gör det möjligt ökat förfining av mikrostrukturen och Löslighet Olöslig elementärt arter.

Hög energi horisontella roterande boll kvarnen är en hög energi fräsning system som består av en horisontell rostfritt stål fräsning burk med en höghastighets rotor med flera blad fast på en drivaxel. Pulvret att vara slipat överförs inuti burken tillsammans med fräsning bollar. Förflyttning av bollar och pulver uppnås genom rotation av axeln inuti burken. Axeln roterar med hög hastighet och fräsning stål bollar kolliderar, påskynda och överför sin rörelseenergi till pulver. Utbudet av rpm är 100-1000 och den genomsnittliga hastigheten bollar är 14 m s^-1. I synnerhet mills är utrustade för att driva över en rad fräsning (-30 ° c till 200 ° C hög) och kan köras under vakuum (mTorr) eller i över trycket läge (1500 Torr) (utnyttja olika typer av omslaget gas). Förutom en basenhet, kvarnen är utrustad med en transportör gas urladdningsenhet samt anslutning församlingar som gör lastning och lossning av pulver under inert gas täcker. Denna apparat kan ses i figur 2A tillsammans med en typisk 8 L stål fräsning burk (figur 2B). Förutom de större kvarnen, har ARL köpt en mindre kvarn som har konverterats till köras under flytande kväve (figur 2 c). Denna kvarn kan producera mellan 100-400 g bearbetade pulver per kör cykel.

Protocol

1. liten skala syntes av nanokristallin pulver under omgivningsförhållanden I en kontrollerad argon atmosfär handskfacket, placera 10 g av det primära elementet (t.ex., Fe i FeNiZr legering) och 100 g av rostfritt stål/verktygsstål fräsning bollar i önskad fräsning burken.Obs: Lastning av pulver till fräsning burk släpper ett handskfacket är skyldiga att säkerställa minimal upptag i syre eller fukt innehåll 18,19. E…

Representative Results

Ca 10 g pulver produceras per varje körning i hög energi shaker kvarnen. Efter framgångsrika syntes av romanen nanokristallin metaller och legeringar i hög energi shaker kvarn bedrivs skala upp i en hög energi horisontella roterande boll kvarn. Normalt genereras nanostrukturerade pulver med hög energi fräsning processer, vari en liten mängd pulver kornstorlek är raffinerad, ca 10 g per batch. Detta är tillfredsställan…

Discussion

Jämfört med andra syntes tekniker, mekaniska legeringsämnen är en extremt mångsidig metod för att tillverka metall och legerat pulver med kornstorlekar << 100 nm. Mekaniska legeringsämnen är faktiskt en av de få sätten i vilka stora volymer av Nanostrukturerade material kan produceras på ett kostnadseffektivt och enkelt skalbart sätt. High-energy bollen fräsning har dessutom visat sig kraftigt öka gränsen för fast löslighet i många metalliska system där jämvikt rumstemperatur löslighet annars inte f…

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