Verarbeitung von Bulk nanokristallinen Metallen bei der US Army Research Laboratory

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, mechanisch legierte nanokristalline Pulver herzustellen, die zu volumenstabilisierten nanokristallinen Metallen und Legierungen verarbeitet werden können. Um den ständig steigenden Anforderungen an die Materialleistung gerecht zu werden, hat die U.S. Army die Entwicklung von stabilisierten nanokristallinen Massenlegierungen für den Einsatz in einer Vielzahl von Betriebsbedingungen übernommen. Das Kugelmahlen ist eine der wenigen Synthesetechniken, die zur Herstellung großer Mengen nanokristalliner Pulver geeignet ist und damit die Produktion dieser universellen strukturellen Anwendungen im industriellen Maßstab erleichtert.

Fortschrittliche Charakterisierungstechniken wie Transmissionselektronenmikroskopie und Atomprotomographie in Verbindung mit der sichtspezifischen Materialextraktion, die wir auf das Fräsen konzentriert haben, ermöglichen die Bestimmung von Struktur, Eigenschaft, Verarbeitungsbeziehungen und den Massenlegierungen. Zusätzlich zur additiven Fertigung verfügt ARL über eine Vielzahl von Konsolidierungstechniken, darunter Equal Channel Angular Excrusion (ECAE), Field Assisted Sintering Technology (FAST) und Hot Isostatic Pressing (HIP). Um mit der Synthese im kleinen Maßstab zu beginnen, geben Sie 10 Gramm des Primärelements für die Legierung und 100 Gramm Mahlkugeln aus Edelstahl oder Werkzeugstahl in ein Mahlglas aus Edelstahl.

Schließen Sie den Mahlbehälter und nehmen Sie ihn aus dem Handschuhfach. Klemmen Sie das Glas in einen Schraubstock und ziehen Sie den Deckel mit einem Schraubenschlüssel fest. Befestigen Sie dann das vollständig verschlossene Glas in der Klemme einer Hochenergie-Schüttelmühle.

Führen Sie einen einstündigen Mahlzyklus durch, um sowohl das Innere des Behälters als auch die Mahlkugeln mit dem Primärelement zu beschichten. Nehmen Sie dann das Glas aus der Mühle und legen Sie es wieder in das mit Argon gefüllte Handschuhfach. Öffnen Sie das Glas und entfernen Sie loses Pulver aus den Mahlkugeln und dem Glas.

Geben Sie in den beschichteten Behälter insgesamt 10 Gramm elementare Pulver in den für die Legierung erforderlichen Verhältnissen. Fügen Sie die beschichteten Mahlkugeln hinzu, um ein Massenverhältnis von 10 zu 1 von Mahlkugeln zu Pulver zu erhalten. Schließen Sie das Glas und nehmen Sie es aus dem Handschuhfach.

Ziehen Sie den Deckel des Mahlglases mit dem Schraubstock fest und schrauben Sie ihn fest, bevor Sie das Glas in die Hochenergie-Schüttelmühle laden. Sobald der Mahlbehälter in der Mühle befestigt ist, wird ein Mahlzyklus eingeleitet, dessen Dauer für die zu produzierende Legierung geeignet ist. Wenn der Mahlzyklus beendet ist, stellen Sie das Glas wieder in das mit Argon gefüllte Handschuhfach.

Nehmen Sie vorsichtig den Deckel ab und geben Sie das nanokristalline Pulver zur Aufbewahrung in ein Probengefäß. Um mit der kryogenen Synthese im kleinen Maßstab zu beginnen, beschichten Sie das Innere eines Mahlbehälters mit dem entsprechenden Mahlmedium mit dem Primärelement der gewünschten Legierung, wie zuvor beschrieben. Geben Sie dann in ein mit Argon gefülltes Handschuhfach die erforderlichen Mengen an elementaren Legierungspulvern in den beschichteten Behälter mit dem Mahlmedium.

Verschließen Sie das Glas fest und nehmen Sie das Glas aus dem Handschuhfach. Verwenden Sie einen Schraubstock und einen Schraubenschlüssel, um den Deckel des Glases vollständig festzuziehen. Setzen Sie das Glas in eine PTFE-Hülle ein, die mit einem Dewar aus flüssigem Stickstoff oder flüssigem Argon verbunden ist.

Setzen Sie eine PTFE-Kappe auf das Glas und die Hülse und setzen Sie dann das beiliegende Glas in die Klemme der Hochenergie-Schüttelmühle. Stellen Sie sicher, dass der Mahlbehälter sicher und ordnungsgemäß verschlossen ist. Öffnen Sie dann den Durchfluss des Kryogens zum Mahlglas.

Lassen Sie das Kryogen etwa 30 Minuten lang fließen oder bis das Kryogen zwei Minuten lang sichtbar aus dem Auslass geflossen ist, um sicherzustellen, dass das Glas die gewünschte Temperatur erreicht. Starten Sie einen Fräszyklus mit der gewünschten Dauer. Stoppen Sie nach Abschluss des Vorgangs den Durchfluss des Kryogens und entfernen Sie den Mahlbehälter vorsichtig aus der PTFE-Hülse.

Stellen Sie das Glas vor einen Heißlufttrockner und lassen Sie das Glas auf Raumtemperatur erwärmen. Dann gibst du das Glas in das mit Argon gefüllte Handschuhfach. Öffnen Sie vorsichtig das Glas und geben Sie das nanokristalline Pulver in ein Vorratsfläschchen.

Um die Synthese im großen Maßstab zu beginnen, wird das primäre Elementpulver für die Legierung in ein mit Argon gefülltes Handschuhfach in ein Glas geladen. Laden Sie bis zu einem Kilogramm der elementaren Legierungspulver in ein zweites Glas. Verschließen Sie beide Gläser mit Kappen, die so ausgelegt sind, dass das Pulver ohne Einwirkung von Luft in das Mahlgefäß gelangt

Nehmen Sie die verschlossenen Gläser aus dem Handschuhfach. Verbinden Sie als Nächstes ein Acht-Liter-Mahlgefäß aus Edelstahl mit einem Kühlmantel mit einer horizontalen Hochenergie-Kugelmühle und laden Sie dann etwa ein Kilogramm Kugellager aus Edelstahl 440C in den Behälter. Schließen Sie eine Argongasleitung und Ethylenglykol-Kühlleitungen an das Gefäß an.

Füllen Sie das Gefäß und spülen Sie es mit Argongas, um Luft zu entfernen, und verbinden Sie dann das Glasgefäß mit dem primären Elementarpulver und der Pulverladevorrichtung der Kugelmühle. Verwenden Sie einen Doppelkugelhahn, um das primäre Elementarpulver unter Argonatmosphäre aus dem Glasgefäß in das Mahlgefäß zu befördern. Schließen Sie das Ventil, um die Kammer abzudichten, und schließen Sie dann das Pulverextraktionssystem an den Mahlbehälter an.

Verfüllung und Spülung des Absaugsystems mit Argongas, um Luft zu entfernen. Führen Sie einen kurzen Codierungslauf mit dem primären Elementarpulver durch. Entfernen Sie das lose Pulver unter Argonatmosphäre, wenn Sie fertig sind, und übertragen Sie dann die elementaren Legierungspulver aus dem Glas in das Mahlgefäß unter Argonatmosphäre, wie zuvor beschrieben.

Beginnen Sie, Ethylenglykol bei minus 25 Grad Celsius durch den Außenmantel des Behälters fließen zu lassen. Sobald das Gefäß abgekühlt ist, lassen Sie die Kugelmühle 12 bis 30 Stunden lang bei einer Drehzahl von 400 bis 800 U/min laufen. Zum Schluss werden die Legierungspulver mit dem Pulverextraktor unter Argonatmosphäre in das Vorratsglas überführt.

Bewahre das Glas in einem mit Argon gefüllten Handschuhfach auf. Die Pulversynthese im kleinen Maßstab führte in der Regel zu nanokristallinen Mikrostrukturen mit einer durchschnittlichen Pulverpartikelgröße zwischen 10 und 500 Mikrometern. Die Pulver wurden mit ECAE verarbeitet, was eine deutliche Verfeinerung der Mikrostruktur und Textur ermöglichte.

Der Hellfeld-STEM einer ECAE-verarbeiteten Kupferprobe mit 10 Atomprozent Tantal ermöglichte die Messung der Korngrößen aus den klar aufgelösten Körnern. Der ringförmige Dunkelfeld-STEM mit hohem Winkel zeigte die hohe Anzahldichte von Tantalpartikeln und den weiten Bereich der Partikelgrößen. So wurde dieses 40 Nanometer breite Tantalpartikel von Tantalpartikeln mit Durchmessern von 5 bis 20 Nanometern umgeben.

Das große Tantalpartikel wies eine Teilschale um seine untere Hälfte auf. Die hohe Anzahldichte der Tantalpartikel wurde mit Hilfe der Atomsondentomographie quantifiziert. APT wurde auch verwendet, um Wolframdioxid- und Natriumpartikel in einer galvanischen Nickel-Wolfram-Legierung zu lokalisieren und zu quantifizieren.

Neben STEM waren die 3D-Atomkarten und Massenspektren von APT essentiell für ein vollständiges Verständnis der Mikrostruktur und der Mechanismen von mechanisch legierten nanokristallinen Pulvern. Die Konsolidierung von Eisen-Nickel-Zirkonium-Pulver in großen Proben durch heißisostatisches Pressen führte zu einer maximalen Dichte von etwa 96 %. Bei der konventionellen Ausscheidung bei 1000 Grad Celsius wurden Eisen-Nickel-Zirkonium-Proben aus Pulvern erfolgreich konsolidiert. Die im Army Research Lab entwickelten Pulververarbeitungsmethoden haben zu einer Vielzahl von nanokristallin stabilisierten Metalllegierungspulvern geführt.

Die hervorragende thermische Stabilität dieser Pulver ermöglicht die Konsolidierung und Bewertung von Schüttgütern in einer Weise, die bisher nicht möglich war.