Behandling af Bulk Nanocrystalline metaller ved US Army Research Laboratory

Summary

Dette papir giver en kort oversigt over de igangværende bestræbelser på Army Research Laboratory på behandling af bulk nanocrystalline metaller med vægt på de metoder, der anvendes til fremstilling af de roman metalstøv.

Abstract

Givet deres potentiale for betydelig ejendom forbedringer i forhold til deres store kornet modparter, har meget arbejde været afsat til den fortsatte udvikling af nanocrystalline metaller. Trods disse bestræbelser, er overgangen af disse materialer fra lab bænk til faktiske applikationer blevet blokeret af manglende evne til at producere store dele, der bevarer de ønskede nanocrystalline mikrostrukturer. Efter udviklingen af en metode, der er vist sig for at stabilisere nanosized korn struktur for temperaturer nærmer sig smeltepunktet for det pågældende metal, US Army Research Laboratory (ARL) har udviklet sig til den næste fase i udviklingen af disse materialer – nemlig produktion af stort omfang dele egnet til test og evaluering i en række relevante testmiljøer. Denne betænkning giver et bredt overblik over de igangværende bestræbelser i behandling, karakterisering og konsolidering af disse materialer på ARL. Især er fokus placeret på den metode, der benyttes til at fremstille nanocrystalline metalstøv i både små og store beløb, der er midt i bestræbelser på igangværende forskning.

Introduction

Nanocrystalline metaller udarbejdet af høj energi mekaniske legering har vist sig at udstille overlegen mekaniske styrke i forhold til deres grovkornede modstykker. Men da dikteres af termodynamiske principper, nanocrystalline mikrostrukturer er underlagt korn coarsening ved høje temperaturer. Som sådan, er forarbejdning og anvendelse af disse materialer i øjeblikket begrænset af muligheden for at oprette stabiliseret mikrostrukturer i løs form. I betragtning af potentialet i disse materialer, efterstræbes to primære metoder i et forsøg på at udvikle sådanne systemer. Først, baseret på en kinetisk tilgang, udnytter flere mekanismer for at anvende en fastgørelse kraft på korn grænser (GBs) for at forhindre korn vækst. Typiske mekanismer ansat til pin GBs er sekundære faser (Zener pinning)^1,2,3 og/eller opløst stof træk effekter^4,5. Den anden metode, baseret på en tilgang, termodynamik, undertrykker korn vækst ved at reducere GB fri energi gennem opløste atomer partitionering til GBs^{6,7,8,9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}.

Som det første skridt til at udvikle legeringer med et nanograined mikrostruktur, grundlagt den grundlæggende forståelse i termodynamisk og kinetisk principper, der styrer korn vækst og mikrostrukturanalyse stabilitet ved høje temperaturer. Computervidenskab materialer blev også brugt til at guide legering udvikling. Bruge disse indsigter, blev små masser af forskellige legeret pulver produceret ved hjælp af høj energi fræsning og evalueret for en bred vifte af fysiske og mekaniske egenskaber. For de mere lovende systemer, blev avancerede karakterisering teknikker udviklet for at fuldt link mikrostruktur af pulver til den observerede egenskaber og ydeevne.

Samtidig, blev infrastruktur og nødvendige udstyr til at producere hovedparten komponenter fra nanocrystalline pulver erhvervet. Når dette udstyr var på plads, blev forarbejdning videnskaben skal fuldt konsolidere bulk materialer fra legeret pulver udviklet gennem en serie af små eksperimenter. Når bulk prøver var tilgængelige, blev der udført en række eksperimenter for at forstå de mekaniske respons af disse materialer under en lang række betingelser (såsom træthed, krybning, høj stamme sats, etc.). Den viden fra disse eksperimenter er blevet brugt til at udvikle eventuel anvendelse rum, således at kommercialisering af stabiliseret bulk nanocrystalline legeringer.

Kollektivt, har opfylder disse opgaver ført til udviklingen inden for USA hæren forskning laboratorium (ARL) af en nanocrystalline metaller research center består af 4 vigtigste labs. Dette laboratorium kompleks repræsenterer en samlet investering på 20 millioner USD og er unik, idet det spænder over aspekter af grundlæggende, anvendt og fremstilling videnskab. Det primære formål med disse øvelser er at overgangen proof-of-concept ideer til pilot-skala og pre produktion niveau. Herved kan det forventes at labs vil aktiverer produktionen af prototype dele, udvikle den nødvendige knowhow og fremstiller videnskab for skaleres op behandling og giver mulighed for forbindelser både internt og eksternt forskningsinstitutter eller industrielle partnere via kommercialisering og overgangen af denne avancerede pulver teknologi.

Som anført tidligere, er det første skridt at identificere, producere og hurtigt at vurdere nye legering prototyper for begge gennemførligheden af syntese og fabrikation i prototype dele. For at opnå dette, er blevet bygget flere unikke, custom-designet høj energi shaker mills med kapacitet til at behandle pulver over en bred vifte af temperaturer fra-196 ° C til 200 ° C. Som navnet antyder, disse møllerne producerer ca. 10-20 g fint pulver gennem voldelige rystende handling, der forårsager gentagne påvirkninger mellem pulver og slibning medier for at producere pulvere, hvor hver partikel har en sammensætning i forhold til den Start elementært pulver blanding. Mens velegnet til hurtig screening af pulvere, Møller af denne type er klart ikke egnet til pulver produktion på den (i nærheden af) industriel skala (fx., kg).

Da er nødvendigheden at producere pulver i store mængder og i som løbende en proces som muligt, en søgning blev foretaget til at identificere potentielt levedygtig metoder og udstyr. Planetariske kuglemøller bruge en støtte disk, som roterer i den modsatte retning fra de vertikalt orienterede hætteglas, hvilket resulterer i partikel størrelse reduktion på grund af både slibning og kollisioner forårsaget af centrifugale kræfter. Lot størrelser for de fleste planeternes mills rækkevidde op til ca. 2 kg. I modsætning til konventionelle mills, attritor mills består af en serie af pumpehjul inde i en lodret tromle. Rotation af løbehjulet forårsage bevægelse slibning medier, hvilket resulterer i partikel størrelse reduktion gennem kollisioner mellem pulver, bolde og løbehjulet. Større attritor mills er habil i producerer over 200 kg pr. løb. Selv om begge disse mills tilbyder betydelige stigninger i mange størrelser i forhold til shaker mills, skal de er ikke i stand til at køre i en kontinuerlig mode, men snarere være lastes og losses manuelt for hver kørsel.

På grund af disse mangler flyttet opmærksomheden til en serie af høj energi, vandret roterende kuglemøller. Kan behandle så vidt 200 kg pr. parti, disse mills er også kan fungere under inert atmosfære samt vakuum. Endelig, fræsning kammer er designet med en luftsluse, der giver mulighed for hurtig og automatisk fjernelse af pulver, når fræseprocessen er afsluttet. Kombineret med en automatisk pulver indsprøjtningssystem, betyder dette at bolden møllen er i stand til at køre på en nogenlunde sammenhængende måde, hvilket gør det en yderst levedygtigt system for industrielle indstillinger. På grund af disse kombination af funktioner, ARL har for nylig købt og installeret to mills og er nu engageret i upscaling interne pulver forarbejdning indsats.

Selvom pulver forarbejdning indsats udgør et centralt aspekt af igangværende bestræbelser, er karakterisering og konsolidering af de mest lovende legering pulvere også fokuseret forskningsområder. Faktisk, som beskrevet nedenfor, ARL har gjort bemærkelsesværdige investeringer i nødvendigt analytiske og teste nødvendige udstyr til at fuldt vurdere centrale funktioner i de nye pulvere. Derudover vellykket konsolidering af prøver nu giver mulighed for konventionelle fuld skala mekaniske test og karakterisering (fx., spænding, træthed, krybe, chok og ballistiske evaluering) af disse materialer, som ikke har typisk været muligt for denne klasse af materiale. Denne artikel rapporter protokollerne udnyttet på ARL for indledende syntese, skala-up, konsolidering og karakterisering af bulk nanocrystalline metaller og legeringer.

De to vigtigste labs for pulver syntese kan ses i figur 1. Figur 1A viser små pulveret forarbejdning lab, som giver mulighed for en hurtig udvikling af koncepter og alu design. Dette laboratorium indeholder flere specialdesignede høj energi mills med evnen til at processen pulvere over forskellige temperaturer (stuetemperatur til 400 ° C) og 10 til-196 ° C. Laboratoriet også indeholder et brugerdefineret vandrette rør ovn designet til hurtig vurdering af den termiske og mikrostrukturanalyse stabilitet (fx., korn vækst studier) af nye metallegeringer. Endelig, laboratoriet også huser flere unikke små mekaniske test opsætninger herunder spændinger, shear punch og indtryk krybe test udstyr, samt et state-of-the-art instrumenterede nano-indenter. Når grundigt testet og vist lovende, udvalgte legeringer er flyttet til storstilet behandlingen lab (figur 1B), hvor teknisk og forarbejdningsmæssig protokoller er udviklet til at tillade store skala (fx., kilogram) produktion af de specifikke pulver. I alt labs repræsenterer en samlet investering på rækkefølgen af 2 millioner USD og dækker overgangen af roman metalstøv fra lab bænk til pilot-skala fremstilling niveauer, hvorved produktionen af prototype dele.

Høj energi bold fræsning/mekaniske legering er en alsidig proces til fremstilling af nanocrystalline metaller og legeringer i pulver form¹⁷. Startende med grove kornet pulvere (typisk betyde korn størrelse ~ 5-10 µm), er det muligt at opnå nanocrystalline pulvere med gennemsnitlig korn størrelse < 100 nm efter fræsning. Denne fræsning udføres rutinemæssigt i et vibrerende/shaker mill. Fræsning hætteglasset er fyldt med den ønskede mængde af såvel pulver som fræsning bolde, typisk rustfrit stål. Denne mølle ryster hætteglas i en bevægelse, der involverer frem og tilbage svingninger med korte laterale bevægelser med en hastighed på omkring 1080 cyklusser min^-1. Med hver komplekse motion bolde kolliderer med hinanden, kollision mod indersiden af hætteglasset og låg, og reducere samtidig pulveret til finere størrelse. Den kinetiske energi bibringes til pulveret er lig med halv masse gange kvadratet på den gennemsnitlige hastighed (19 m s^-1) af lejerne. Mill magt, fx. energien leveres per tidsenhed, stiger med hyppigheden af mill (15-26 Hz). Tager det typiske antal bolde og den laveste frekvens for en given 20 h periode, overstiger det samlede antal virkninger 1,5 billon. Under disse virkninger gennemgår pulveret gentagne briste og mellem indtil det punkt, hvor bestanddele blandes på det atomare niveau. Mikroskopisk lettes denne blanding og forfinelse af mikrostrukturen ved lokaliserede deformation i form af shear bands samt en høj tæthed af forskydninger og punkt defekter, som nedbryder mikrostruktur. Til sidst, da varmen i kollision rejser den lokale temperatur, opstår rekombination og udslettelse af disse fejl på et steady state med deres generation. Defekten strukturer i sidste ende, selv om reorganisering, resulterer i dannelsen af mindre og mindre høj vinkel equiaxed kerner. Bolden fræsning er således en proces, der inducerer svær plastisk deformation manifesteret ved tilstedeværelsen af en høj tæthed af defekter. Denne proces giver mulighed for øget diffusivity opløste elementer og raffinement og spredning af sekundære faser og den samlede nanostrukturering af mikrostrukturen.

Høj energi cryomilling er en lignende til høj energi bold fræsning bortset fra, at fræse hætteglasset opretholdes ved kryogene temperatur under fræseprocessen fræseprocessen. For at opnå en ensartet temperatur i hætteglasset, er møllen blevet ændret som følger. Fræsning hætteglasset er først placeret inde en Teflon ærme, der lukkes med en Teflon cap. Ærmet er tilsluttet en dewar, der indeholder den relevante cryogen (flydende kvælstof (LN₂) eller flydende argon (LAr)) gennem rustfrit stål og plastslanger. Cryogen flyder gennem ærmet i hele fræseprocessen til cool fræsning hætteglas og vedligeholde fræsning hætteglasset på kogepunktet af cryogen, som-196 ° C for LN₂ og-186 ° C for LAr. De lave temperaturer af kryogene behandling fører til øget fragmentering af mere duktile metaller, som ellers ikke sleben ved stuetemperatur. Derudover de kryogene temperaturer reducere varmeafgivelsen aktiveret diffusional processer såsom korn vækst og faseadskillelse hvorved øget forfinelse af mikrostrukturen og Opløselighed Uopløseligt elementært arter.

Høj energi vandret roterende kugle mølle er en høj energi milling system, der består af en vandret rustfrit stål fræsning krukke med en højhastigheds rotor med flere klinger fast på en drivaksel. Pulver til at blive fræset overføres inde i glasset sammen med fræsning bolde. Flytning af bolde og pulver er opnået gennem rotation af akslen inde i krukken. Akslen roterer ved høj hastighed og fræsning stål bolde kolliderer, fremskynde og overføre deres kinetiske energi til pulvere. Rækken af rpm er 100-1000 og den gennemsnitlige hastighed af kuglerne er 14 m s^-1. Især mills er udstyret til at betjene over en række fræsning temperatur (30 ° C til 200 ° C høj) og kan køre under vakuum (mTorr) eller i over presset tilstand (1500 Torr) (udnytter forskellige typer dækning gas). Ud over basisenheden, møllen er udstyret med et luftfartsselskab gas udledning enhed samt forbindelse forsamlinger, som giver mulighed for lastning og losning af pulver under anvendelse af inaktiv gas cover. Dette apparat kan ses i figur 2A sammen med en typisk 8 L stål fræsning jar (figur 2B). Ud over de større mølle, har ARL købt en mindre mølle, som er blevet konverteret til at køre under flydende kvælstof (figur 2 c). Denne mølle kan producere mellem 100-400 g af forarbejdede pulver per kører cyklus.

Protocol

1. små syntese af Nanocrystalline pulvere omgivende betingelser I en kontrolleret argon atmosfære handskerummet, anbringes 10 g af det primære element (fx., Fe i FeNiZr legering) og 100 g af rustfrit stål/værktøjsstål fræsning kugler i ønskede fræsning krukke.Bemærk: Indlæsning af pulver til fræsning krukke inde i en handskerummet er nødvendige for at sikre minimal optagelse i ilt og/eller fugt indhold 18,19. Efter l…

Representative Results

Ca. 10 g pulver produceres pr. hver kørsel i høj energi shaker mill. Efter vellykket syntese af roman nanocrystalline metaller og legeringer af høj energi shaker mill, er skala-up udført i en høj energi vandret roterende kugle mill. Typisk, nanostrukturerede pulvere er genereret ved hjælp af høj energi fræsning processer, hvori kornstørrelse af en lille mængde af pulver er raffineret, ca. 10 g pr. parti. Dette er tilfr…

Discussion

Sammenlignet med andre syntese teknikker, mekanisk legering er en meget alsidig metode til fremstilling af metal og legeret pulver med kornstørrelser << 100 nm. Faktisk er mekaniske legering en af de få måder, hvor store mængder af nanostrukturerede materialer kan fremstilles i en omkostningseffektiv og let skalerbare måde. Derudover har højenergi bolden fræsning vist sig at langt forhøje grænsen for solid Opløselighed i mange metallisk systemer som ligevægt stuetemperatur opløselighed ellers ikke eksisterer…

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