Traitement des métaux nanocristallins en vrac à l’US Army Research Laboratory

Summary

Ce document donne un aperçu des efforts en cours au laboratoire de recherche armée sur le traitement des métaux nanocristallins en vrac en mettant l’accent sur les méthodes utilisées pour la fabrication des poudres métalliques roman.

Abstract

Compte tenu de leur potentiel pour l’amélioration des biens considérables par rapport à leurs homologues à grain gros, beaucoup de travail a été consacrée à la poursuite du développement de métaux nanocristallins. Malgré ces efforts, la transition de ces matériaux à l’audience du laboratoire aux applications réelles a été bloquée par l’incapacité de produire des pièces de grande échelle qui conservent les microstructures nanocristallins désirée. Suite au développement d’une méthode éprouvée pour stabiliser la structure de grains de taille nanométrique à une température proche de celle du point de fusion du métal donné, l’US Army Research Laboratory (ARL) a progressé à la prochaine étape dans le développement de ces matériaux – à savoir la production de pièces de grande échelle pour les essais et l’évaluation dans un éventail d’environnements de test pertinent. Ce rapport fournit une vue d’ensemble des efforts que déploie dans le traitement, la caractérisation et la consolidation de ces matériaux à l’ARL. En particulier, l’accent est mis sur la méthodologie utilisée pour produire les poudres métalliques nanocristallins, en petites et grandes quantités, qui sont au centre des efforts de recherche en cours.

Introduction

Métaux nanocristallins préparés par alliage mécanique haute énergie montrent présentent une résistance mécanique supérieure par rapport à leurs homologues à grain grossier. Cependant, comme dictée par les principes de la thermodynamique, nanocristallin microstructures sont grain granocroissance à des températures élevées. Par conséquent, traitement et utilisations de ces substances est actuellement limité par la capacité à créer des microstructures stabilisées en vrac. Compte tenu du potentiel de ces matériaux, deux principales méthodes se poursuivent dans le but de développer de tels systèmes. La première, fondée sur une approche cinétique, utilise plusieurs mécanismes pour appliquer une force épinglage sur les joints de grain (GBs) afin de prévenir la croissance des céréales. Mécanismes typiques employées à la broche que le GBs sont des phases secondaires (Zener épinglage)^1,2,3 et/ou soluté faites glisser effets^4,5. La deuxième méthode, basée sur une approche thermodynamique, supprime la croissance de grain en réduisant l’énergie libre de GB à travers les atomes du soluté partitionnement au GBs^{6,7,8,9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}.

La première étape vers l’élaboration d’alliages avec une microstructure de nanograined, la compréhension fondamentale des principes de thermodynamique et cinétique qui régissent les microstructure stabilité à des températures élevées et la croissance de grain a été établie. Computational science des matériaux est également utilisé pour orienter l’élaboration de l’alliage. À l’aide de ces idées, beaucoup de petite échelle de diverses poudres d’alliages était produites au moyen de haute énergie de fraisage et évalué pour un large éventail de propriétés physiques et mécaniques. Pour les systèmes les plus prometteurs des techniques de caractérisation de pointe ont été développées afin de lier entièrement la microstructure de la poudre aux propriétés observées et aux performances.

Simultanément, les infrastructures et les équipements nécessaires pour produire des composants en vrac de poudres nanocristallines a été acquise. Une fois que cet équipement était en place, la science du traitement nécessaire à la consolidation entièrement des matériaux en vrac de la poudre d’alliage a été développée grâce à une série d’expériences à petite échelle. Une fois les échantillons en vrac étaient disponibles, une série d’expériences ont été effectuées afin de comprendre la réponse mécanique de ces matériaux dans une gamme étendue de conditions (par exemple, fatigue, fluage, taux de déformation élevés, etc.). Les connaissances tirées de ces expériences a été utilisé pour développer des espaces d’application possible qui vont permettre la commercialisation des alliages nanocristallins stabilisée en vrac.

Collectivement, ces tâches de réunion a conduit à l’élaboration au sein de l’US Army Research Laboratory (ARL) d’un centre de recherche de métaux nanocristallins consistant en 4 principaux laboratoires. Ce laboratoire complex représente un investissement total de 20 millions USD et est unique en ce qu’elle s’étend sur les aspects des sciences fondamentales, appliquées et fabrication. L’objectif principal de ces laboratoires est aux idées de proof-of-concept de transition à l’échelle pilote et préavis de fabrication. Ce faisant, il est prévu que les laboratoires permettra la production de pièces prototypes, développer le savoir-faire nécessaire et la science pour le traitement de la grande échelle de fabrication et permettent d’établir des liens en interne aussi bien que les instituts de recherche externes ou partenaires industriels via la commercialisation et la transition de cette technologie de pointe en poudre.

Comme indiqué précédemment, la première étape consiste à identifier, produire et évaluer rapidement les nouveaux prototypes d’alliage pour les deux possibilité de synthèse et de fabrication dans des prototypes de pièces. Pour ce faire, plusieurs usines de dispositif trembleur uniques, sur-mesure haute énergie ont été construits avec la capacité à traiter des poudres sur une large plage de températures allant de-196 ° C à 200 ° C. Comme son nom l’indique, ces usines produisent environ 10-20 g de poudres fines grâce à l’action violente secousse qui provoque des impacts répétitifs entre poudre et broyants pour produire des poudres dans lequel chaque particule a une composition proportionnelle à la à partir de mélange de poudre d’élémentaire. Alors que c’est adapté pour le dépistage rapid des poudres, les moulins de ce type ne sont manifestement pas aptes à la production de poudre à l’échelle industrielle (proche) (e.g., kilogrammes).

Compte tenu de la nécessité de produire la poudre en grande quantité et en continu un processus que possible, une recherche a été entreprise pour identifier les méthodes potentiellement viables et l’équipement. Broyeurs planétaires utilisent un disque de soutien qui tourne dans la direction opposée des flacons orientés verticalement, résultant en une réduction de taille de particules en raison de meulage et de collisions causées par des forces centrifuges. Beaucoup de tailles pour la plupart gamme de moulins planétaire jusqu’à environ 2 kg. Contrairement aux usines conventionnelles, moulins attritor se compose d’une série de roues à l’intérieur d’un tambour vertical. La rotation des rotors provoque le mouvement de la broyants, d’où une réduction de taille de particule par collisions entre poudre, balles et les turbines. Grands moulins d’attritor sont capables de produire plus de 200 kg par course. Bien que les deux de ces moulins offrent une augmentation significative des tailles de lot par rapport aux usines de dispositif trembleur, ils ne sont pas capables d’exécuter de manière continue mais doivent plutôt être chargés et déchargés manuellement pour chaque série.

En raison de ces lacunes, l’attention est portée à une série de haute énergie, broyeurs à boulets rotatif horizontal. Capable de traiter jusqu’à 200 kg par lot, ces usines sont également capables de fonctionner sous atmosphères inertes comme vide. Enfin, la chambre de broyage a été conçue avec une poche d’air qui permet l’élimination rapide et automatisée de poudre une fois achevé le processus de fraisage. Combiné avec un système d’injection de poudre automatique, cela signifie que le broyeur à boulets est capable d’exécuter de manière assez continue, ce qui en fait un système très viable pour les milieux industriels. En raison de la combinaison de ces caractéristiques, ARL a récemment achetés et installés deux usines et est maintenant engagé dans l’upscaling des efforts de traitement interne en poudre.

Alors que les efforts de traitement de poudre représentent un aspect central des efforts continus, la caractérisation et la consolidation des poudres en alliage plus prometteurs sont également les domaines de recherche ciblé. En effet, tel que décrit ci-après, ARL a fait des investissements notables dans la condition analytique et tester les équipements nécessaires pour évaluer pleinement les caractéristiques principales des nouvelles poudres. En outre, la consolidation réussie d’échantillons maintenant permet pour essais mécaniques classique pleine échelle et (e.g., tension, fatigue, fluage, choc et évaluation balistique) de ces matériaux qui n’a généralement pas été réalisable pour cette catégorie de matériel. Cet article rapporte les protocoles utilisés dans les ARL pour synthèse initiale, intensification, consolidation et la caractérisation des vrac nanocristallins métaux et alliages.

Les deux laboratoires principales pour la synthèse de poudre peuvent être vu dans la Figure 1. Figure 1 a montre la poudre Small-Scale processing lab qui permet le développement rapid des concepts et design de l’alliage. Ce laboratoire contient plusieurs moulins sur-mesure haute énergie ayant la capacité de poudres de processus sur une plage de températures (température de la pièce à 400 ° C) et 10 à-196 ° C. Le laboratoire contient également un four à tube horizontal personnalisé conçu pour l’évaluation rapide de la stabilité thermique et microstructure (e.g., des études de croissance des céréales) de nouveaux alliages métalliques. Enfin, le laboratoire abrite également plusieurs configurations de test mécanique à petite échelle unique dont la tension, poinçon de cisaillement et essai de fluage impression périphériques, comme un état-of-the-art instrumenté nano-pénétrateur. Une fois testé et de promesse illustré, alliages sélectionnés sont déplacés vers le laboratoire de traitement à grande échelle (Figure 1 b), où l’ingénierie et la fabrication de protocoles sont développés pour permettre à grande échelle (p. ex.., kilogramme) production de la poudre spécifique. Au total, les laboratoires représentent un investissement total de l’ordre de 2 millions USD et couvre le passage de nouvelles poudres métalliques sur le banc de laboratoire pour les niveaux de fabrication à l’échelle pilote, permettant ainsi la production de prototypes de pièces.

Alliage de haute énergie ball fraisage/mécanique est un processus polyvalent de production nanocristallins métaux et alliages en poudre formule¹⁷. À partir de poudres à grain grossiers (grain généralement moyenne taille environ 5-10 µm), il est possible d’obtenir des poudres nanocristallines avec grain moyen taille < 100 nm après broyage. Cette mouture est assurée dans un moulin vibratoire/shaker. Le flacon de fraisage est rempli de la quantité désirée de poudre ainsi que balles de fraisage, généralement en acier inoxydable. Ce moulin secoue les flacons dans un mouvement qui consiste en arrière des oscillations avec des déplacements latéraux courts à un taux d’environ 1080 cycles min^-1. Avec chaque mouvement complexe que les boules entrer en collision avec un autre, un impact contre l’intérieur du flacon et le couvercle et en même temps réduire la poudre à une taille plus fine. L’énergie cinétique dans la poudre est égal à la moitié de la masse fois le carré de la vitesse moyenne (19 m s^-1) des roulements. La puissance de l’usine, par exemple. l’énergie fournie par unité de temps, augmente avec la fréquence du moulin (15-26 Hz). Prendre le nombre typique de billes et de la fréquence la plus basse pour une période donnée à 20 h, le nombre total des impacts dépasse 1,5 milliard. Au cours de ces impacts, la poudre subit répétées de fracturation et de cold-welding jusqu’au point où les constituants sont mélangés au niveau atomique. Au microscope, ce mélange et l’affinement de la microstructure est facilitée par une déformation localisée dans la forme de bandes de cisaillement, mais aussi une forte densité de dislocations et défauts ponctuels qui décompose la microstructure. Finalement, comme la chaleur de collision augmente la température locale, la recombinaison et l’anéantissement de ces défauts se produit à un état d’équilibre avec leur génération. Le défaut des structures bien finalement, réorganisation, donnent lieu à la formation des grains équiaxes angle plus petites et plus petites hautes. Ainsi, ball est un procédé qui induit de graves déformations plastiques que qui se manifeste par la présence d’une forte densité de défauts. Ce processus permet de diffusivité accrue d’éléments solutés et le raffinement et la dispersion des phases secondaires et la nanostructuring globale de la microstructure.

Cryomilling de haute énergie est un procédé de broyage semblable à la fraise boule haute énergie hormis le fait que le flacon de fraisage est maintenu à température cryogénique pendant le procédé de broyage. Afin d’atteindre une température uniforme dans le flacon, le moulin a été modifié comme suit. Le flacon de fraisage est d’abord placé entouré d’un manchon de téflon qui est ensuite scellé avec un plafond de téflon. Le manchon est connecté à un dewar contenant le cryogène approprié (azote liquide (LN₂) ou l’argon liquide (LAr)) grâce à l’acier inoxydable et de tuyaux en plastique. Le cryogène traverse la manche pendant tout le processus de fraisage pour refroidir le flacon de fraisage et de maintenir le flacon de fraisage à la température d’ébullition de le cryogen, tels que de-196 ° C pour LN₂ et -186 ° C pour LAr. Les basses températures de traitement cryogénique conduisent à la fragmentation accrue des métaux plus ductiles qui, autrement, ne peuvent pas être broyé à la température ambiante. En outre, les températures cryogéniques réduisent thermiquement activées diffusionnelles processus tels que la croissance de grain et de séparation des phases permettant ainsi augmenté affinement de la microstructure et la solubilité des espèces élémentaires insolubles.

Le broyeur à boulets rotatif horizontal haute énergie est une énergie élevée, système qui se compose d’un pot de fraisage inox horizontal avec un rotor à haute vitesse avec plusieurs lames fixées sur un arbre d’entraînement de fraisage. La poudre pour être blanchi est transférée à l’intérieur de la Jarre avec les boules de fraisage. Mouvement des balles et poudre est obtenue par la rotation de l’arbre à l’intérieur du pot. L’arbre tourne à grande vitesse et les billes de broyage en acier entrent en collision, accélérer et transférer leur énergie cinétique pour les poudres. La gamme des tr/min est 100-1000 et la vitesse moyenne des boules est 14 m s^-1. En particulier, les moulins sont équipés pour fonctionner sur une plage de température (-30 ° C à 200 ° C en haut) de meunerie et peuvent être exécutés sous vide (mTorr) ou en mode de pression (1500 Torr) (en utilisant différents types de gaz de couverture). En plus de l’unité de base, le moulin est équipé d’une unité de décharge de gaz porteur ainsi que des assemblages de connexion qui permet le chargement et le déchargement de poudre sous gaz inerte couvert. Cet appareil peut être vu dans la Figure 2 a avec un acier de 8 L typique fraisage jar (Figure 2 b). En plus de l’agrandissement mill, ARL a acheté un petit moulin qui a été converti pour fonctionner sous azote liquide (Figure 2). Cette usine peut produire entre 100-400 g de poudre transformé par cycle en cours d’exécution.

Protocol

1. petite échelle synthèse de poudres nanocristallines dans des Conditions ambiantes Dans une boîte à gants atmosphère contrôlée argon, placer 10 g de l’élément primaire (p. ex.., Fe en alliage de FeNiZr) et 100 g d’acier inox/outil fraisage des boules dans le bocal de fraisage souhaitée.Remarque : Charge de poudre dans le pot à l’intérieur d’une boîte à gants de fraisage est nécessaire pour assurer l’absorption minimale à l’oxygène ou l’humidité contenu <sup class=…

Representative Results

Environ 10 g de poudre sont produites par chaque course dans le moulin de dispositif trembleur de haute énergie. Après une synthèse réussie nanocristallins nouveaux métaux et alliages en moulin de dispositif trembleur de haute énergie, intensification est réalisée dans un broyeur à boulets rotatif horizontal haute énergie. En général, poudres nanostructurés sont générés à l’aide de processus, dans lequel la ta…

Discussion

Par rapport à d’autres techniques de synthèse, alliage mécanique est une méthode extrêmement polyvalente de fabrication des poudres métalliques et alliés avec des tailles de grains << 100 nm. En effet, alliage mécanique est l’un des rares moyens dans les grands volumes de nanostructurés matériaux peuvent être produites de manière rentable et facilement évolutive. En outre, fraisage haute énergie ball s’est avéré augmenter considérablement la limite de solubilité solide dans de nombreux systèmes …

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