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

L’objectif global de cette procédure est de produire des poudres nanocristallines alliées mécaniquement qui peuvent être transformées en métaux et alliages nanocristallins stabilisés en vrac. Pour répondre aux exigences toujours croissantes en matière de performances des matériaux, l’armée américaine a entrepris le développement d’alliages nanocristallins en vrac stabilisés pour une utilisation dans un large éventail de conditions de fonctionnement. Le broyage à billes est l’une des rares techniques de synthèse permettant de produire de grands volumes de poudres nanocristallines, facilitant ainsi la production à l’échelle industrielle de ces applications structurelles universelles.

Des techniques de caractérisation avancées telles que la microscopie électronique à transmission et la protomographie atomique couplées à l’extraction de matériaux spécifiques à la vue que nous avons axées sur le broyage, permettent de déterminer la structure, les propriétés, les relations de traitement et les alliages en vrac. En plus de la fabrication additive, ARL dispose d’une variété de techniques de consolidation, notamment l’excrusion angulaire à canal égal, ou ECAE, la technologie de frittage assisté sur le terrain, ou FAST, et le pressage isostatique à chaud, ou HIP. Pour commencer la synthèse à petite échelle, dans une boîte à gants remplie d’argon, placez 10 grammes de l’élément primaire de l’alliage et 100 grammes de billes de broyage en acier inoxydable ou en acier à outils dans un bocal de broyage en acier inoxydable.

Fermez le bocal de broyage et retirez-le de la boîte à gants. Fixez le pot dans un étau et serrez le couvercle à l’aide d’une clé. Fixez ensuite le pot entièrement scellé dans la pince d’un broyeur à secoueur à haute énergie.

Effectuez un cycle de broyage d’une heure pour enduire à la fois l’intérieur du bocal et les billes de broyage avec l’élément primaire. Retirez ensuite le pot du moulin et remettez-le dans la boîte à gants remplie d’argon. Ouvrez le bocal et retirez la poudre libre des billes de broyage et du bocal.

Ajoutez dans le pot enrobé un total de 10 grammes de poudres élémentaires dans les proportions requises pour l’alliage. Ajouter les billes de broyage revêtues pour obtenir un rapport massique de 10 à 1 entre les billes de broyage et la poudre. Fermez le bocal et retirez-le de la boîte à gants.

Serrez le couvercle du bol de broyage avec l’étau et la clé avant de charger le bocal dans le broyeur à secoueur à haute énergie. Une fois le bol de broyage fixé dans le broyeur, lancez un cycle de broyage d’une durée appropriée à l’alliage produit. Lorsque le cycle de broyage est terminé, remettez le pot dans la boîte à gants remplie d’argon.

Retirez délicatement le couvercle et transférez la poudre nanocristalline dans un flacon d’échantillon pour le stockage. Pour commencer la synthèse cryogénique à petite échelle, enduire l’intérieur d’un bocal de broyage dans le média de broyage approprié avec l’élément primaire de l’alliage souhaité, comme décrit précédemment. Ensuite, dans une boîte à gants remplie d’argon, placez les quantités requises de poudres d’alliage élémentaire dans le bocal recouvert avec le support de broyage.

Fermez hermétiquement le pot et retirez-le de la boîte à gants. À l’aide d’un étau et d’une clé, serrez complètement le couvercle du bocal. Insérez le bocal dans un manchon en PTFE relié à un dewar d’azote liquide ou d’argon liquide.

Placez un capuchon en PTFE sur le bocal et le manchon, puis placez le bocal fourni dans la pince du broyeur à secoueur à haute énergie. Assurez-vous que le bocal de broyage est bien fixé et correctement scellé. Ouvrez ensuite le flux du cryogène vers le bocal de broyage.

Laissez le cryogène s’écouler pendant environ 30 minutes ou jusqu’à ce qu’il s’écoule visiblement de la sortie pendant deux minutes pour s’assurer que le bocal atteint la température souhaitée. Lancez un cycle de fraisage de la durée souhaitée. Une fois terminé, arrêtez l’écoulement du cryogène et retirez soigneusement le bocal de broyage du manchon en PTFE.

Placez le bocal devant un séchoir à air chaud et laissez le bocal se réchauffer à température ambiante. Transférez ensuite le pot dans la boîte à gants remplie d’argon. Ouvrez délicatement le bocal et transférez la poudre nanocristalline dans un flacon de stockage.

Pour commencer la synthèse à grande échelle, dans une boîte à gants remplie d’argon, chargez la poudre élémentaire primaire de l’alliage dans un bocal en verre. Chargez jusqu’à un kilogramme de poudres d’alliage élémentaire dans un deuxième bocal en verre. Fermez les deux bocaux avec des bouchons conçus pour transférer la poudre dans la cuve de broyage sans exposition à l’air.

Retirez les bocaux scellés de la boîte à gants. Ensuite, connectez une cuve de broyage en acier inoxydable de huit litres avec une chemise de refroidissement à un broyeur à boulets rotatif horizontal à haute énergie, puis chargez environ un kilogramme de roulements à billes en acier inoxydable 440C dans la cuve. Raccordez une conduite de gaz argon et des conduites de refroidissement à l’éthylène glycol à la cuve.

Remplissez et purgez le récipient avec du gaz argon pour éliminer l’air, puis connectez le bocal en verre à la poudre élémentaire primaire à l’ensemble de chargement de poudre du broyeur à boulets. À l’aide d’un robinet à bille double, transférez la poudre élémentaire primaire du bocal en verre à la cuve de broyage sous une atmosphère d’argon. Fermez la vanne pour sceller la chambre, puis connectez le système d’extraction de poudre à la cuve de broyage.

Remblayez et purgez le système d’extraction avec du gaz argon pour éliminer l’air. Effectuez un court cycle de codage avec la poudre élémentaire primaire. Retirez la poudre libre sous une atmosphère d’argon lorsque vous avez terminé, puis transférez les poudres d’alliage élémentaires du bocal en verre vers la cuve de broyage sous une atmosphère d’argon comme décrit précédemment.

Commencez à faire couler de l’éthylène glycol à moins 25 degrés Celsius à travers l’enveloppe extérieure du récipient. Une fois la cuve refroidie, faites fonctionner le broyeur à boulets pendant 12 à 30 heures à une vitesse de rotation de 400 à 800 tr/min. Enfin, transférez les poudres d’alliage dans le bocal de stockage sous une atmosphère d’argon à l’aide de l’extracteur de poudre.

Conservez le pot dans une boîte à gants remplie d’argon. La synthèse de poudre à petite échelle a généralement abouti à des microstructures nanocristallines avec une taille moyenne de particule de poudre comprise entre 10 et 500 micromètres. Les poudres ont été traitées avec ECAE, ce qui a permis d’affiner considérablement la microstructure et la texture.

La STEM en champ clair d’un échantillon de cuivre à 10 % atomique de tantale traité par l’ECAE a permis de mesurer la taille des grains à partir des grains clairement résolus. La technologie STEM a montré la densité élevée des particules de tantale et la large gamme de tailles de particules. Par exemple, cette particule de tantale de 40 nanomètres de large était entourée de particules de tantale d’un diamètre de 5 à 20 nanomètres.

La grosse particule de tantale comportait une coquille partielle autour de sa moitié inférieure. La densité numérique élevée des particules de tantale a été quantifiée par tomographie par sonde atomique. L’APT a également été utilisée pour localiser et quantifier les particules de dioxyde de tungstène et de sodium dans un alliage de nickel-tungstène galvanisé.

Avec STEM, les cartes d’atomes 3D et les spectres de masse d’APT étaient essentiels pour une compréhension complète de la microstructure et des mécanismes des poudres nanocristallines alliées mécaniquement. La consolidation d’échantillons en vrac de poudre de fer-nickel-zirconium par pressage isostatique à chaud a permis d’obtenir une densité maximale d’environ 96 %. Les méthodes de traitement des poudres développées au laboratoire de recherche de l’armée ont abouti à une variété de poudres d’alliages métalliques stabilisés nanocristallins.

L’excellente stabilité thermique de ces poudres permet de consolider et d’évaluer les composants en vrac d’une manière qui n’était pas possible auparavant.