Tratamiento de metales nanocristalinos de bulto en el laboratorio de investigación del ejército de Estados Unidos

El objetivo general de este procedimiento es producir polvos nanocristalinos aleados mecánicamente que puedan procesarse en metales y aleaciones nanocristalinas estabilizados a granel. Para satisfacer las crecientes demandas de rendimiento de materiales, el Ejército de los EE. UU. ha emprendido el desarrollo de aleaciones nanocristalinas estabilizadas a granel para su uso en una amplia gama de condiciones de operación. La molienda de bolas es una de las pocas técnicas de síntesis que permite producir grandes volúmenes de polvos nanocristalinos, lo que facilita la producción a escala industrial de estas aplicaciones estructurales universales.

Las técnicas de caracterización avanzadas, como la microscopía electrónica de transmisión y la protomografía de átomos, junto con la extracción de materiales específicos a la vista en la que nos hemos centrado en el fresado, permiten la determinación de la estructura, las propiedades, las relaciones de procesamiento y las aleaciones a granel. Además de la fabricación aditiva, ARL tiene una variedad de técnicas de consolidación que incluyen la excrusión angular de canal igual, o ECAE, la tecnología de sinterización asistida por campo, o FAST, y el prensado isostático en caliente, o HIP. Para comenzar la síntesis a pequeña escala, en una guantera llena de argón, coloque 10 gramos del elemento primario para la aleación y 100 gramos de bolas de fresado de acero inoxidable o acero para herramientas en un frasco de fresado de acero inoxidable.

Cierre la jarra de molienda y retírela de la guantera. Sujete el frasco en un tornillo de banco y apriete la tapa con una llave inglesa. Luego, asegure el frasco completamente sellado en la abrazadera de un molino agitador de alta energía.

Realice un ciclo de molienda de una hora para recubrir tanto el interior del frasco como las bolas de molienda con el elemento primario. Luego retire el frasco del molino y devuélvalo a la guantera llena de argón. Abra el frasco y retire el polvo suelto de las bolas de molienda y del frasco.

Agregue al frasco recubierto un total de 10 gramos de polvos elementales en las proporciones requeridas para la aleación. Agregue las bolas de fresado recubiertas para obtener una proporción de masa de 10 a 1 de bolas de fresado a polvo. Cierra el frasco y sácalo de la guantera.

Apriete la tapa de la jarra de molienda con el tornillo de banco y la llave antes de cargar la jarra en el molino agitador de alta energía. Una vez que la jarra de molienda se haya asegurado en el molino, inicie un ciclo de molienda de una duración adecuada para la aleación que se está produciendo. Cuando termine el ciclo de molienda, regrese el frasco a la guantera llena de argón.

Retire con cuidado la tapa y transfiera el polvo nanocristalino a un vial de muestra para su almacenamiento. Para comenzar la síntesis criogénica a pequeña escala, cubra el interior de un frasco de molienda en los medios de molienda apropiados con el elemento primario de la aleación deseada como se describió anteriormente. Luego, en una guantera llena de argón, coloque las cantidades requeridas de polvos de aleación elemental en el frasco recubierto con los medios de molienda.

Cierre herméticamente el frasco y retírelo de la guantera. Use un tornillo de banco y una llave inglesa para apretar completamente la tapa del frasco. Coloque el frasco en una funda de PTFE conectada a un dewar de nitrógeno líquido o argón líquido.

Coloque una tapa de PTFE en el frasco y la funda, luego coloque el frasco adjunto en la abrazadera del molino agitador de alta energía. Asegúrese de que la jarra de molienda esté segura y debidamente sellada. A continuación, abra el flujo del criógeno al frasco de molienda.

Deje que el criógeno fluya durante unos 30 minutos o hasta que el criógeno haya estado fluyendo visiblemente desde la salida durante dos minutos para garantizar que el frasco alcance la temperatura deseada. Inicie un ciclo de molienda de la duración deseada. Al finalizar, detenga el flujo del criógeno y retire con cuidado el frasco de molienda del manguito de PTFE.

Coloque el frasco frente a un secador de aire caliente y deje que el frasco se caliente a temperatura ambiente. Luego transfiera el frasco a la guantera llena de argón. Abra con cuidado el frasco y transfiera el polvo nanocristalino a un vial de almacenamiento.

Para comenzar la síntesis a gran escala, en una guantera llena de argón, cargue el polvo elemental primario para la aleación en un frasco de vidrio. Cargue hasta un kilogramo de los polvos de aleación elemental en un segundo frasco de vidrio. Selle ambos frascos con tapas diseñadas para transferir el polvo al recipiente de molienda sin exponerlo al aire.

Retire los frascos sellados de la guantera. A continuación, conecte un recipiente de molienda de acero inoxidable de ocho litros con una camisa de enfriamiento a un molino de bolas rotativo horizontal de alta energía, luego cargue aproximadamente un kilogramo de rodamientos de bolas de acero inoxidable 440C en el recipiente. Conecte una línea de gas argón y líneas de enfriamiento de etilenglicol al recipiente.

Rellene y purgue el recipiente con gas argón para eliminar el aire, luego conecte el frasco de vidrio al polvo elemental primario al conjunto de carga de polvo del molino de bolas. Utilice una válvula de bola doble para transferir el polvo elemental primario del frasco de vidrio al recipiente de molienda bajo una atmósfera de argón. Cierre la válvula para sellar la cámara y luego conecte el sistema de extracción de polvo al recipiente de molienda.

Rellene y purgue el sistema de extracción con gas argón para eliminar el aire. Realiza una breve ejecución de codificación con el polvo elemental primario. Retire el polvo suelto bajo una atmósfera de argón cuando termine, luego transfiera los polvos de aleación elemental del frasco de vidrio al recipiente de molienda bajo una atmósfera de argón como se describió anteriormente.

Comience a fluir etilenglicol a menos 25 grados centígrados a través de la camisa exterior del recipiente. Una vez que el recipiente se enfríe, haga funcionar el molino de bolas durante 12 a 30 horas a una velocidad de rotación de 400 a 800 rpm. Finalmente, transfiera los polvos de aleación al frasco de almacenamiento bajo una atmósfera de argón usando el extractor de polvo.

Guarde el frasco en una guantera llena de argón. La síntesis de polvo a pequeña escala generalmente resultó en microestructuras nanocristalinas con un tamaño promedio de partícula de polvo entre 10 y 500 micrómetros. Los polvos se procesaron con ECAE, lo que permitió un refinamiento significativo de la microestructura y la textura.

El STEM de campo claro de una muestra de tantalio de cobre procesado por ECAE al 10 por ciento atómico permitió medir los tamaños de grano a partir de los granos claramente resueltos. El STEM de campo oscuro anular de ángulo alto mostró la alta densidad numérica de las partículas de tantalio y la amplia gama de tamaños de partícula. Por ejemplo, esta partícula de tantalio de 40 nanómetros de ancho estaba rodeada de partículas de tantalio con diámetros de 5 a 20 nanómetros.

La gran partícula de tantalio presentaba una capa parcial alrededor de su mitad inferior. La alta densidad numérica de las partículas de tantalio se cuantificó con tomografía de sonda atómica. APT también se utilizó para localizar y cuantificar partículas de dióxido de tungsteno y sodio en una aleación de níquel y tungsteno galvanizada.

Junto con STEM, los mapas de átomos en 3D y los espectros de masas de APT fueron esenciales para una comprensión completa de la microestructura y los mecanismos de los polvos nanocristalinos aleados mecánicamente. La consolidación a granel de muestras de polvo de hierro, níquel y circonio mediante prensado isostático en caliente dio como resultado una densidad máxima de aproximadamente el 96%La extrusión convencional a 1000 grados centígrados consolidó con éxito muestras de hierro, níquel, níquel, circonio a granel a partir de polvos. Los métodos de procesamiento de polvo desarrollados en el Laboratorio de Investigación del Ejército han dado como resultado una variedad de polvos de aleaciones metálicas estabilizadas nanocristalinas.

La excelente estabilidad térmica de estos polvos permite la consolidación y evaluación de componentes a granel de formas que antes no eran posibles.