Lavorazione dei metalli nanocristallini Bulk presso la US Army Research Laboratory

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di produrre polveri nanocristalline legate meccanicamente che possono essere trasformate in metalli e leghe nanocristalline stabilizzate alla rinfusa. Per soddisfare le sempre crescenti esigenze di prestazioni dei materiali, l'esercito degli Stati Uniti ha intrapreso lo sviluppo di leghe nanocristalline sfuse stabilizzate per l'uso in un'ampia gamma di condizioni operative. La fresatura a sfere è una delle poche tecniche di sintesi in grado di produrre grandi volumi di polveri nanocristalline, facilitando così la produzione su scala industriale di queste applicazioni strutturali universali.

Tecniche di caratterizzazione avanzate come la microscopia elettronica a trasmissione e la protomografia atomica accoppiate con l'estrazione di materiali specifici per la vista che abbiamo concentrato sulla fresatura, consentono la determinazione della struttura, delle proprietà, delle relazioni di lavorazione e delle leghe di massa. Oltre alla produzione additiva, l'ARL dispone di una varietà di tecniche di consolidamento, tra cui l'esfiltrazione angolare del canale uguale, o ECAE, la tecnologia di sinterizzazione assistita sul campo, o FAST, e la pressatura isostatica a caldo, o HIP. Per iniziare la sintesi su piccola scala, in una scatola a guanti riempita di argon, posizionare 10 grammi dell'elemento primario per la lega e 100 grammi di sfere di macinazione in acciaio inossidabile o acciaio per utensili in una giara di macinazione in acciaio inossidabile.

Chiudere la giara di macinazione e rimuoverla dal vano portaoggetti. Bloccare il barattolo in una morsa e serrare il coperchio con una chiave. Quindi fissare il barattolo completamente sigillato nel morsetto di un mulino shaker ad alta energia.

Eseguire un ciclo di macinazione di un'ora per rivestire sia l'interno del barattolo che le sfere di macinazione con l'elemento primario. Quindi rimuovere il barattolo dal mulino e rimetterlo nella scatola a guanti piena di argon. Aprire il barattolo e rimuovere la polvere sciolta dalle sfere di macinazione e dal barattolo.

Aggiungere al barattolo rivestito un totale di 10 grammi di polveri elementari nei rapporti richiesti per la lega. Aggiungere le sfere di fresatura rivestite per ottenere un rapporto di massa di 10 a 1 tra sfere di fresatura e polvere. Chiudi il barattolo e rimuovilo dal vano portaoggetti.

Serrare il coperchio del barattolo di macinazione con la morsa e la chiave inglese prima di caricare il barattolo nel mulino shaker ad alta energia. Una volta che la giara di macinazione è stata fissata nel mulino, avviare un ciclo di macinazione di durata adeguata alla lega che si sta producendo. Al termine del ciclo di macinazione, rimettere il barattolo nella scatola a guanti piena di argon.

Rimuovere con cautela il coperchio e trasferire la polvere nanocristallina in una fiala campione per la conservazione. Per iniziare la sintesi criogenica su piccola scala, rivestire l'interno di una giara di macinazione nell'apposito mezzo di macinazione con l'elemento primario della lega desiderata come descritto in precedenza. Quindi, in una scatola a guanti piena di argon, posizionare le quantità necessarie di polveri di lega elementare nel barattolo rivestito con il mezzo di macinazione.

Chiudi bene il barattolo e rimuovi il barattolo dal vano portaoggetti. Usa una morsa e una chiave inglese per stringere completamente il coperchio del barattolo. Inserire il barattolo in un manicotto in PTFE collegato a un dewar di azoto liquido o argon liquido.

Posizionare un tappo in PTFE sul barattolo e sulla manica, quindi posizionare il barattolo in dotazione nel morsetto del mulino shaker ad alta energia. Assicurarsi che la giara di macinazione sia sicura e adeguatamente sigillata. Quindi aprire il flusso del criogeno al barattolo di macinazione.

Lasciare fluire il criogeno per circa 30 minuti o fino a quando il criogeno non è stato visibilmente fluito dall'uscita per due minuti per garantire che il barattolo raggiunga la temperatura desiderata. Avviare un ciclo di fresatura della durata desiderata. Al termine, arrestare il flusso del criogeno e rimuovere con cautela la giara di macinazione dal manicotto in PTFE.

Posiziona il barattolo davanti a un essiccatore ad aria calda e lascia che il barattolo si riscaldi a temperatura ambiente. Quindi trasferisci il barattolo nella scatola a guanti piena di argon. Aprire con cautela il barattolo e trasferire la polvere nanocristallina in una fiala di conservazione.

Per iniziare la sintesi su larga scala, in una scatola a guanti piena di argon caricare la polvere elementare primaria per la lega in un barattolo di vetro. Caricare fino a un chilogrammo di polveri di lega elementare in un secondo barattolo di vetro. Sigillare entrambe le giarre con tappi progettati per trasferire la polvere al recipiente di macinazione senza esposizione all'aria.

Rimuovere i barattoli sigillati dal vano portaoggetti. Quindi, collegare un recipiente di fresatura da otto litri in acciaio inossidabile con una camicia di raffreddamento a un mulino a sfere rotante orizzontale ad alta energia, quindi caricare circa un chilogrammo di cuscinetti a sfera in acciaio inossidabile 440C nel serbatoio. Collegare una linea di gas argon e linee di raffreddamento del glicole etilenico al serbatoio.

Riempire e spurgare il recipiente con gas argon per rimuovere l'aria, quindi collegare il barattolo di vetro alla polvere elementare primaria al gruppo di caricamento della polvere del mulino a palle. Utilizzare una doppia valvola a sfera per trasferire la polvere elementare primaria dal barattolo di vetro al recipiente di macinazione in un'atmosfera di argon. Chiudere la valvola per sigillare la camera, quindi collegare il sistema di estrazione della polvere al recipiente di macinazione.

Riempire e spurgare il sistema di estrazione con gas argon per rimuovere l'aria. Esegui una breve corsa di codifica con la polvere elementare primaria. Al termine, rimuovere la polvere sciolta in un'atmosfera di argon, quindi trasferire le polveri di lega elementare dal barattolo di vetro al recipiente di macinazione in un'atmosfera di argon come descritto in precedenza.

Inizia a far scorrere il glicole etilenico a meno 25 gradi Celsius attraverso la camicia esterna del recipiente. Una volta che il recipiente si è raffreddato, far funzionare il mulino a palle per 12-30 ore a una velocità di rotazione compresa tra 400 e 800 giri/min. Infine, trasferire le polveri di lega nel barattolo di stoccaggio in atmosfera di argon utilizzando l'estrattore di polvere.

Conservare il barattolo in una scatola a guanti piena di argon. La sintesi di polveri su piccola scala ha generalmente portato a microstrutture nanocristalline con una dimensione media delle particelle di polvere compresa tra 10 e 500 micrometri. Le polveri sono state lavorate con ECAE, il che ha permesso un notevole affinamento della microstruttura e della consistenza.

Lo STEM in campo chiaro di un campione di tantalio atomico al 10% di rame trattato con ECAE ha permesso di misurare le dimensioni dei grani dai grani chiaramente risolti. Lo STEM a campo oscuro anulare ad alto angolo ha mostrato l'elevata densità numerica delle particelle di tantalio e l'ampia gamma di dimensioni delle particelle. Ad esempio, questa particella di tantalio larga 40 nanometri era circondata da particelle di tantalio con diametri da 5 a 20 nanometri.

La grande particella di tantalio presentava un guscio parziale attorno alla sua metà inferiore. L'elevata densità numerica di particelle di tantalio è stata quantificata con la tomografia a sonda atomica. L'APT è stato utilizzato anche per localizzare e quantificare le particelle di biossido di tungsteno e sodio in una lega di nichel tungsteno elettrolitica.

Insieme a STEM, le mappe atomiche 3D e gli spettri di massa di APT sono stati essenziali per una piena comprensione della microstruttura e dei meccanismi delle polveri nanocristalline legate meccanicamente. Il consolidamento del campione di massa della polvere di ferro nichel zirconio mediante pressatura isostatica a caldo ha portato a una densità massima di circa il 96%L'escrezione convenzionale a 1000 gradi Celsius ha consolidato con successo campioni di ferro nichel zirconio sfusi da polveri. I metodi di lavorazione delle polveri sviluppati presso l'Army Research Lab hanno portato a una varietà di polveri di leghe metalliche stabilizzate nanocristalline.

L'eccellente stabilità termica di queste polveri consente il consolidamento e la valutazione dei componenti sfusi in modi che in precedenza non erano possibili.