美国陆军研究实验室对块体纳米晶金属的加工

本实验的总体目标是制备可通过后续加工形成块体稳定纳米晶金属及合金的机械合金化纳米晶粉末。为满足日益增长的材料性能需求，美国陆军已着手开发可在广泛工况下应用的稳定块体纳米晶合金。球磨法是少数几种能够大规模合成纳米晶粉末的技术之一，因而有利于此类通用结构材料的工业化生产。

通过结合特定位置材料提取技术，我们采用透射电子显微镜和原子探针层析等先进的表征方法，专注于机械研磨过程，以确定块体合金的结构、性能与加工之间的关系。除了增材制造外，ARL 还拥有多样化的致密化技术，包括等通道角挤压（Equal Channel Angular Extrusion, ECAE）、场辅助烧结技术（Field Assisted Sintering Technology, FAST）以及热等静压（Hot Isostatic Pressing, HIP）。开始小规模合成时，在充满氩气的手套箱中，将10克合金主元素与100克不锈钢或工具钢研磨球放入不锈钢研磨罐中。

关闭研磨罐并将其从手套箱中取出。将研磨罐用台钳夹紧，并用扳手拧紧盖子。然后将完全密封的研磨罐固定在高能振荡研磨机的夹具中。

进行一小时的研磨循环，以使主要元素包覆球磨罐内壁和研磨球。随后将球磨罐从球磨机中取出，并放回充满氩气的手套箱中。打开球磨罐，清除研磨球和罐壁上的松散粉末。

按照合金所需的配比，向已涂覆的研磨罐中加入总共10克的单质粉末。加入已涂覆的研磨球，使研磨球与粉末的质量比达到10:1。密封研磨罐，并将其从手套箱中取出。

使用台钳和扳手拧紧研磨罐的盖子，然后将研磨罐装入高能摇床式球磨机中。一旦研磨罐已在球磨机中固定，启动适合所制备合金的适当持续时间的研磨循环。研磨循环结束后，将研磨罐放回充满氩气的手套箱中。

小心取下盖子，并将纳米晶粉末转移至样品瓶中储存。开始低温小规模合成时，先按照前述方法，用目标合金的主要元素对球磨罐内壁及相应的球磨介质进行包覆。随后，在充满氩气的手套箱中，将所需量的单质合金粉末加入已包覆的球磨罐中，并放入球磨介质。

紧密盖上罐子，并将罐子从手套箱中取出。使用台钳和扳手将罐盖完全拧紧。将罐子放入连接至液氮或液氩杜瓦瓶的聚四氟乙烯（PTFE）套筒中。

将聚四氟乙烯盖子盖在研磨罐和套筒上，然后将密封的研磨罐放入高能振荡研磨仪的夹具中。确保研磨罐固定牢固且密封妥当。随后打开冷冻剂向研磨罐的流动。

让冷冻剂持续流动约30分钟，或直至观察到冷冻剂从出口端持续流出达两分钟，以确保研磨罐达到所需温度。启动设定时长的研磨循环。研磨完成后，停止冷冻剂流动，并小心地将研磨罐从聚四氟乙烯（PTFE）套筒中取出。

将罐子放在热风干燥器前，使其升温至室温。随后将罐子转移至充满氩气的手套箱中。小心打开罐子，将纳米晶粉末转移至储存小瓶中。

开始大规模合成时，在充满氩气的手套箱中，将合金的主要元素粉末装入一个玻璃罐中。将最多一公斤的元素合金粉末装入第二个玻璃罐中。用专为在无空气暴露条件下将粉末转移至研磨容器而设计的瓶盖将两个罐子密封。

将密封的罐子从手套箱中取出。接下来，将一个带冷却夹套的八升不锈钢研磨罐连接到高能水平旋转球磨机上，然后向罐内装入约一千克的440C不锈钢滚珠轴承。将氩气管路和乙二醇冷却管路连接至研磨罐。

用氩气回填并吹扫容器以除去空气，然后将玻璃罐连接至球磨机的粉末加料组件中的主元素粉末。在氩气氛围下，使用双球阀将主元素粉末从玻璃罐转移至研磨容器中。关闭阀门以密封腔室，然后将粉末取出系统连接到研磨容器上。

用氩气回填并吹扫提取系统以除去空气。使用主要元素粉末进行一次短暂的编码运行。完成后，在氩气氛围下清除松散粉末，然后按照之前所述方法，在氩气氛围下将元素合金粉末从玻璃罐转移至研磨容器中。

将温度为零下25摄氏度的乙二醇通入反应釜的外层夹套中。待反应釜冷却后，在400至800 rpm的转速下运行球磨机12至30小时。最后，使用粉末提取器在氩气氛围下将合金粉末转移至储存罐中。

将容器存放在充满氩气的手套箱中。小规模粉末合成通常会形成纳米晶微观结构，粉末颗粒的平均尺寸在10至500微米之间。通过等通道角挤压（ECAE）对粉末进行加工，可显著细化其微观结构和织构。

对经ECAE处理的铜-10原子百分比钽样品进行明场扫描透射电子显微镜（STEM）观察，可清晰分辨晶粒形貌，从而测量晶粒尺寸。高角环形暗场STEM显示了钽颗粒的高数密度以及颗粒尺寸的广泛分布。例如，一个宽度为40纳米的钽颗粒周围分布着直径在5至20纳米范围内的其他钽颗粒。

该大尺寸钽颗粒的下半部分具有一层部分包覆的壳层。通过原子探针断层扫描技术对钽颗粒的高数密度进行了量化。原子探针断层扫描技术还被用于定位并量化电沉积镍钨合金中的二氧化钨和钠颗粒。

除了STEM之外，APT提供的三维原子图和质谱对于全面理解机械合金化纳米晶粉末的微观结构和机理至关重要。通过热等静压对铁镍锆粉末进行块体样品致密化处理，获得了约96%的最大密度。在1000摄氏度下进行常规挤压，成功将粉末制备成块体铁镍锆样品。美国陆军研究实验室开发的粉末处理方法已成功制备出多种纳米晶稳定的金属合金粉末。

这些粉末优异的热稳定性使得以此前无法实现的方式对整体部件进行致密化和性能评估成为可能。