Behandling av Bulk Nanocrystalline metaller ved US Army Research Laboratory

Summary

Dette dokumentet gir en kort oversikt over det pågående arbeidet ved Army Research Laboratory behandlingen av bulk nanocrystalline metaller med hovedvekt på metodikkene som brukes for produksjon av romanen metall pulver.

Abstract

Gitt potensialet for betydelig eiendom forbedringer i forhold til sine store kornet kolleger, har mye arbeid vært viet til videreutvikling av nanocrystalline metaller. Tross disse innsatsene har overgangen av disse materialene fra lab-benken til selve programmene blitt blokkert av manglende evne til å produsere store deler som beholder de ønskede nanocrystalline microstructures. Etter utviklingen av en metode som er bevist for å stabilisere nanosized korn strukturen til temperaturer nærmer det av smeltepunktet for gitt metal, US Army Research Laboratory (ARL) har kommet til det neste stadiet i utviklingen av disse materialer – nemlig produksjon av storskala deler egnet for testing og evaluering i en rekke relevante test miljøer. Denne rapporten gir en bred oversikt over det pågående arbeidet i behandling, karakterisering og konsolidering av disse materialene ARL. Spesielt er fokus plassert på den metodologi som brukes til å produsere nanocrystalline metall pulver, i både små og store beløp, som er i midten av pågående forskningen.

Introduction

Nanocrystalline metaller utarbeidet av høy energi mekanisk alloying har vist å utmerket mekanisk beskyttelse i forhold til sine coarse-grained kolleger. Men som diktert av termodynamisk prinsipper, er nanocrystalline microstructures underlagt korn coarsening ved høye temperaturer. Slik er behandling og bruk av disse materialene for tiden begrenset av muligheten til å opprette stabilisert microstructures i bulk-skjemaet. Gitt potensialet i disse materialene, forfølges to primære metoder å utvikle slike systemer. Først, basert på en kinetisk tilnærming, utnytter flere mekanismer for å bruke en feste styrke på kornet grenser (GBs) for å hindre korn vekst. Typisk mekanismer ansatt for å pin GBs er sekundære faser (Zener låsing)^1,2,3 og/eller stoff dra effekter^4,5. Den andre metoden, basert på en termodynamikk tilnærming, undertrykker korn vekst ved å redusere GB gratis energi gjennom stoff atomer partisjonering til GBs^6,7,8,–^{9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}.

Som første skritt for å utvikle legeringer med en nanograined mikrostruktur, etablert i grunnleggende forståelse i termodynamisk og kinetisk prinsipper som styrer korn vekst og microstructural stabilitet ved høye temperaturer. Datavitenskap materialer ble også brukt til å lede legering utvikling. Bruker disse innsikt, ble småskala masse forskjellige legering pulver produsert med høy energi fresing og vurdert for en rekke fysiske og mekaniske egenskaper. For mer lovende systemer, ble avansert karakterisering teknikker utviklet for å koble fullt mikrostruktur av pulver til observerte egenskapene og ytelse.

Samtidig, ble infrastruktur og utstyr for å produsere bulkkomponenter fra nanocrystalline pulver kjøpt. Når utstyret var på plass, ble behandling vitenskapen må fullt konsolidere bulk materiale fra legering pulver utviklet gjennom en rekke småskala eksperimenter. Når bulk prøvene var tilgjengelig, ble en serie eksperimenter utført for å forstå mekanisk svaret på materiellet under en rekke forhold (som tretthet, krype, høy belastning rente, etc.). Kunnskapen fra disse eksperimentene er brukt til å utvikle mulig plasserer som gjør kommersialisering av stabilisert bulk nanocrystalline legeringer.

Kollektivt, har møte disse oppgavene ført til utviklingen innen US Army Research Laboratory (ARL) til et forskningssenter for metaller for en nanocrystalline som består av 4 viktigste labs. Dette laboratoriet komplekse representerer en total investering på 20 millioner dollar og er unikt ved at det dekker aspekter av grunnleggende, anvendt og produksjon vitenskap. Hovedformålet med disse labs er overgangen proof-of-concept ideer til pilot skala og pre-produksjon nivåer. Dermed er det forventet at labs vil aktivere produksjon av prototype deler, utvikle nødvendig kunnskap og produksjon vitenskap for skalert opp behandling og tillate sammenhengene internt som eksternt forskningsinstitutter eller industrielle partnere via kommersialisering og overgang av denne avansert pulver teknologien.

Som indikert tidligere, er det første trinnet å identifisere, produsere, og raskt vurdere nye legering prototyper for både muligheten for syntese og fabrikasjon i prototype deler. Dette har flere unike, tilpasset designet høy energi shaker mills blitt konstruert med evne til å behandle pulver over et bredt spekter av temperaturer fra–196 ° C til 200 ° C. Som navnet tilsier, disse møllene produsere ca 10-20 g av fine pulver gjennom voldelige risting handlingen som repeterende virkninger mellom pulver og sliping media å produsere pulver der hver partikkel har en sammensetning i den Start elementær pulver blanding. Mens egnet for rask screening av pulver, møller av denne typen er tydelig ikke egnet for pulver produksjon på (nær) industriell skala (f.eks., kilo).

Gitt til å produsere pulver i store mengder og som kontinuerlig en prosess som mulig, et søk var foretatt å identifisere viable metoder og utstyr. Planetenes ballen mills bruke en støtte som roterer i motsatt retning fra vertikalt hetteglass, resulterer i partikkel størrelse reduksjon både sliping og kollisjoner forårsaket av sentrifugalkreftene. Mye størrelser for de fleste planetenes mills rekkevidde opp til ca 2 kg. I motsetning til konvensjonelle mills, attritor mills består av en rekke løpehjul i en loddrett tromme. Rotasjonen i ulyd forårsake bevegelse sliping media, resulterer i partikkel størrelse reduksjon gjennom kollisjoner mellom pulver, baller og løpehjul. Større attritor møllene er dugelig av produserer over 200 kg per kjørt. Selv om begge disse møllene betydelige økninger i mange størrelser i forhold til shaker mills, må de er ikke i stand til å kjøre i en kontinuerlig måte men heller være lastet og losset manuelt for hvert løp.

På grunn av disse svakhetene flyttet oppmerksomheten til en serie av høy energi, horisontalt roterende ball møller. Kan behandle så mye som 200 kg per satsvis, disse møllene er også kan operere under inert atmosfærer, samt vakuum. Til slutt, fresing kammeret er designet med en airlock som gir rask og automatisert fjerning av pulver når den malende prosessen er fullført. Kombinert med et automatisk pulver injeksjon system, betyr dette at ballen møllen kan kjøre på en ganske sammenhengende måte, og dermed gjør det en svært levedyktig system for industriell innstillinger. Disse kombinasjonen av funksjoner, ARL har nylig kjøpt og installert to møller og er nå engasjert i oppskalering interne pulver behandling innsats.

Mens pulver behandling innsats representerer et sentralt aspekt av pågående arbeidet, er karakterisering og konsolidering av de mest lovende legering pulver også fokusert forskningsområder. Faktisk som beskrevet nedenfor, ARL har gjort betydelige investeringer i nødvendige analytiske og test utstyr som trengs for å fullt ut vurdere viktige egenskaper for de nye pulver. Videre vellykket konsolidering av prøver nå tillater konvensjonelle fullskala mekanisk testing og karakterisering (f.eks., spenning, trøtthet, krype, sjokk og ballistisk evaluering) på materiellet som vanligvis ikke har vært mulig for denne klassen av materiale. Denne artikkelen rapporter protokollene benyttes på ARL for første syntese, skalere opp, konsolidering og karakterisering av bulk nanocrystalline metaller og legeringer.

De to viktigste labs for pulver syntese kan ses i figur 1. Figur 1A viser småskala pulveret behandling lab som gjør den raske utviklingen av konsepter og legering design. Dette laboratoriet inneholder flere spesialdesignede høy energi møller med evnen til å prosessen pulver over et spekter av temperaturer (romtemperatur til 400 ° C) og 10-196 ° c. Laboratoriet inneholder også en egendefinert vannrett tube ovn designet for rask vurdering av termisk og microstructural stabilitet (f.eks., korn vekst studier) av nye metallegeringer. Til slutt, lab huser også flere unike småskala mekanisk test oppsett inkludert spenning, skjær slag og inntrykk krype testing enheter, i tillegg til en state-of-the-art instrumenterte nano-indenter. Når testet og vist løfter, valgte legeringer flyttes til storskala behandling laboratoriet (figur 1B), hvor engineering og produksjon protokoller er utviklet slik at storskala (f.eks., kilogram) produksjon av den bestemt pulver. Totalt labs representerer en total investering på 2 millioner USD og dekker overgangen av romanen metall pulver fra lab-benken til pilot skala produksjon nivåer, og dermed gjør produksjon av prototype deler.

Høy energi ball fresing/mekanisk alloying er en allsidig prosess for å produsere nanocrystalline metaller og legeringer i pulver skjemaet¹⁷. Starter med grov kornet pulver (vanligvis betyr korn størrelse ~ 5-10 µm), er det mulig å få nanocrystalline pulver med betyr korn størrelse < 100 nm etter fresing. Denne fresing utføres rutinemessig i en vibrerende/shaker mill. Fresing ampullen fylles med ønsket mengde pulver samt fresing baller, vanligvis rustfritt stål. Dette mill rister ampullene i en bevegelse som involverer frem og tilbake svingninger med kort laterale bevegelser med en hastighet på ca 1080 sykluser min^-1. Med hver komplekse bevegelse ballene kollidere med hverandre, effekt mot innsiden av ampullen og lokket, og redusere samtidig pulveret finere størrelse. Kinetisk energi formidles i pulver er halv masse ganger plassen gjennomsnittlige hastigheten (19 m s^-1) av lagrene. Mill makt, f.eks. energi levert per enhetstid, øker med frekvensen av møllen (15-26 Hz). Ta typiske antall baller og laveste frekvensen for en gitt 20 h periode, overskrider antall virkninger 1,5 milliarder. Under disse konsekvensene gjennomgår pulveret gjentatte oppsprekking og cold-welding helt til punktet hvor bestanddeler er blandet på Atom-nivå. Mikroskopisk er dette blande og foredling av mikrostrukturen tilrettelagt av lokaliserte deformasjon i form av skjær band, samt en høy tetthet av dislokasjoner og punkt defekter som bryter ned mikrostrukturen. Etter hvert som varmen av kollisjon reiser lokale temperaturen, oppstår rekombinasjon og utslettelse av disse feilene på en stabil tilstand med deres generasjon. Feilen strukturer til slutt om omorganiseringen, resulterer i dannelsen av mindre og mindre høy equiaxed korn. Dermed er ballen fresing en prosess som induserer alvorlig plast deformasjon manifestert av tilstedeværelsen av en høy tetthet av defekter. Denne prosessen gir økt diffusivity av stoff elementer og raffinement og spredning av sekundære faser og den generelle nanostrukturering av mikrostrukturen.

Høy energi cryomilling er en malende prosessen lik for høy energi ball fresing bortsett fra det faktum at fresing ampullen opprettholdes kryogene temperatur under maleprosessen. For å oppnå en jevn temperatur i ampullen, er møllen endret som følger. Fresing ampullen plasseres først i en Teflon ermet som er deretter forseglet med en Teflon cap. Ermet er koblet til en dewar som inneholder den aktuelle cryogen (flytende nitrogen (LN₂) eller flytende argon (LAr)) gjennom rustfritt stål og plast slangen. Cryogen renner gjennom ermet gjennom maleprosessen avkjøles fresing ampullen og opprettholde fresing ampullen på kokende temperaturen på cryogen, som-196 ° C for LN₂ og-186 ° C i LAr. De lave temperaturene kryogene behandling føre til økt fragmentering av mer ductile metall som ellers kan være malt ved romtemperatur. I tillegg kryogene temperaturene redusere termisk aktivert diffusional prosesser som korn vekst og fase separasjon og dermed slik at økt avgrensningen av mikrostrukturen og Løseligheten av uløselig elementær arter.

Høy energi horisontalt roterende ball mill er en høy energi fresing system som består av en horisontal rustfritt stål fresing krukke med en høyhastighets rotor med flere blader på en drivaksel. Pulveret skal frest overføres i glasset med fresing ballene. Bevegelsen av baller og pulver oppnås gjennom rotasjon av akselen i glasset. Akselen roterer i høy hastighet og fresing stål baller kolliderer, akselerere og overføre sine kinetisk energi til pulver. Rpm er 100-1000 og gjennomsnittlige hastigheten av baller er 14 m s^-1. Spesielt mills er utstyrt bruker en rekke fresing temperatur (-30 ° C til 200 ° C høy) og kan kjøres under vakuum (mTorr) eller i over press modus (1500 Torr) (benytte ulike typer dekke gass). I tillegg til grunnenheten, mill er utstyrt med en transportør gass utslipp enhet og tilkobling samlinger som gjør lasting og lossing av pulver under inert gass dekselet. Dette apparatet kan ses i figur 2A sammen med en typisk 8 L stål fresing jar (figur 2B). I tillegg til større mill, har ARL kjøpt en mindre mølle som er konvertert til å kjøre med flytende nitrogen (figur 2C). Dette mill kan produsere mellom 100-400 g behandlet pulver per kjører syklus.

Protocol

1. småskala syntese av Nanocrystalline pulver under forholdene Plasser 10 g av den viktigste elementet i en kontrollert argon atmosfære hanskerom, (f.eks., Fe i FeNiZr legering) og 100 g av rustfritt stål/verktøy stål fresing baller i ønsket fresing glasset.Merk: Lasting av pulver i fresing glasset i en hanskerommet kreves for å sikre minimal opptak i oksygen og/eller fuktighet innhold 18,19. Etter lasting, seal glasset og …

Representative Results

Ca 10 g pulver produseres per hvert kjørt i høy energi shaker mill. Etter vellykket syntese av romanen nanocrystalline metaller og legeringer i høy energi shaker mill, er skalere opp gjennomført i en høy energi horisontalt roterende ball mill. Vanligvis genereres nanostructured pulver med høy energi fresing prosesser hvori korn størrelsen på en liten mengde pulver er raffinert, ca 10 g per satsvis. Dette er tilfredsstill…

Discussion

Sammenlignet med andre syntese teknikker, mekanisk alloying er en svært allsidig metode for produksjon av metall og legert pulver med korningsstørrelser << 100 nm. Faktisk er mekanisk alloying en av de få måtene i hvilke store mengder nanostructured materialer kan produseres i en kostnadseffektiv og lett skalerbar måte. Videre har høy energi ball fresing vist til for å øke grensen på solid oppløselighet i mange metallisk systemer der likevekt romtemperatur løselighet ellers ikke finnes. Dette gir nye typer le…

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