米国陸軍研究所で一括ナノ多結晶金属の処理

サマリー

このペーパーは、新規金属粉末の製造に使用される方法論に重点を置いて一括ナノ多結晶金属の加工に関する陸軍研究所で継続的な努力の簡単な概要を提供します。

要約

粒の大きい相手に対して重要なプロパティの改善の可能性を考えると、多くの仕事はナノ多結晶金属の継続的な開発に専念してきました。これらの努力にもかかわらずこれらの材料研究室のベンチから実際のアプリケーションの移行は目的ナノ微細構造を保持する大規模な部品を生産する無力によってブロックされています。これらの開発の次の段階に進んでいる米国陸軍研究所 (ARL) の次の特定の金属の融点に近い温度にナノサイズ粒構造を安定させるために実証済みの方法の開発、すなわち、部品の生産大規模なテストと関連するテスト環境の範囲の評価に適した材料。このレポートは、処理、評価、ARL でこれらの材料の統合、継続的な努力の広範な概要を提供します。特に、継続的な研究活動の中心は、両方の小規模および大規模な量で、ナノ結晶金属粉末を製造するための手法にフォーカスを当てます。

概要

高エネルギー メカニカルアロイング法によるナノ結晶金属は、粗粒度の同等と比べて優れた機械的強度を展示する示されています。しかし、熱力学の原則に従い、ナノ結晶の微細構造は高温で結晶粒によって予告します。そのため、処理およびこれらの材料のアプリケーション現在一括フォームで安定した微細構造を作成する能力によって制限されます。これらの材料の可能性を考えると、2 つの主な方法は、このようなシステムを開発するために進められています。運動論的アプローチに基づいて最初に、粒成長を防ぐために、粒界 (GBs) の固定力を適用するいくつかのメカニズムを利用して。典型的なメカニズムは (ツェナーピニング)^1,2,3ピン GBs が二次フェーズに雇用および/または溶質ドラッグ効果^4,5。熱力学的なアプローチに基づいて、2 番目のメソッドは GBs^6,7,8,9,分割溶質原子を介して GB 自由エネルギーを減らすことによって結晶粒成長を抑制します。^{10,11,12,13,14,15,16}。

Nanograined 微細構造を有する合金の開発への第一歩と粒成長と高温での組織安定性を支配する熱力学的および速度論的原理に基本的な理解を設立されました。計算材料科学は、合金の開発などにも使われました。これらの洞察を使用して、さまざまな合金粉末の小さな規模のロットの生産された高エネルギー加工と幅広い物理・力学特性の評価で行われます。有望なシステムの高度な解析技術は完全に観測されたプロパティとパフォーマンスに粉体の微細構造をリンクするために開発されました。

同時に、インフラストラクチャおよびナノ結晶粉末からバルク部品を生産するために必要な機器が買収されました。この装置が用意され、合金粉末からバルク材料を完全に統合するために必要な処理の科学は一連の小規模な実験を通して開発されました。バルク試料が利用できると、幅広い(疲労、クリープ、高批ずみ速度など)の条件の下でこれらの材料の力学的応答を理解する一連の実験を行った。これらの実験から得られた知識は、安定化一括ナノ結晶合金の実用化を可能にする可能性のあるアプリケーション スペースの開発に使用されています。

総称して、これらのタスクを会議は 4 主な研究所から成るナノ結晶材料研究センターの開発米国陸軍研究所 (ARL) 内につながっています。複雑な研究は 2000 万ドルの総投資額を表し、固有の基本的な応用科学、製造の側面に 。これらのラボの主な目的は、パイロット スケールの製造前レベルに遷移概念実証のアイデアすることです。そうすることで、ラボが試作部品の生産を有効にすると、必要なノウハウとスケール アップ処理のための科学を製造開発し、内部と同様外部研究機関との連携を可能にすることが予想されるかこの高度な粉体技術の変遷と事業化を通じて産業のパートナー。

前述のように、最初のステップは、識別、生成、および急速に新しい合金プロトタイプ試作部品に合成の両方の可能性を評価するためです。これを行うには、いくつかのユニークなカスタム デザインの高エネルギー シェーカー ミルズは、-196 ° C から 200 ° C までの温度の広い範囲にわたって粉体を処理する機能で構成されています。その名のとおり、これらの工場生産粉末と粉末各パーティクルに同行して組成を生成するメディアを研削の反復的な影響を引き起こす激しい振動作用によって微粉体の約 10-20 g、元素の粉ミックスを開始します。粉体の急速なスクリーニングに適した、このタイプのミルズ明確なない (近くの) 産業規模で粉生産に適した (e.g。、キログラム)。

大量に粉を作り出す必要性を与えられての連続として、可能な限りプロセスで検索し潜在的に実行可能な方法及び装置を識別するために引き受けられました。遊星ボールミルは、垂直方向のバイアルは、研削と遠心力によって引き起こされる衝突による粒子サイズの減少に終ってから逆方向に回転するサポート ディスクを使用します。ほとんど遊星ミル範囲は最大約 2 kg のロットサイズします。従来の工場とは異なりアトライター ミルズは、縦ドラムの中のインペラのシリーズで構成されます。羽根車の回転では、粉体、ボールとインペラの衝突による粒子サイズの減少の結果、粉砕媒体の運動を引き起こします。大きいアトライター ミルズ実行あたり 200 kg 以上の生産が可能です。シェーカー工場基準ロットの大幅な増加を提供これらの工場の両方が彼ら連続的な方法で実行することができないが、必要がありますではなくロード/アンロード手動で実行ごとに。

これらの欠点のための注意は高エネルギー、水平回転式ボールミルのシリーズにシフト。バッチあたり 200 kg の処理能力、これらの工場も真空と同様に不活性雰囲気下で動作が可能です。最後に、加工プロセスが完了したら、粉体の迅速で自動化された除去のためできるエアロックと粉砕室を設計されています。自動粉体噴射と組み合わせると、つまり、ボール ・ ミルは産業設定のための非常に現実的なシステムを付けることによって、かなり連続的な方法で実行することができます。機能のこれらの組み合わせにより ARL 最近購入され、インストールの 2 つの工場があり、内部の粉体処理の努力をアップスケー リングで今従事しています。

粉体処理の努力は進行中の努力の中央の側面を表す、特性と最も有望な合金粉末の統合も研究の領域。確かに、ARL 以下に詳述した注目すべき投資必要な分析し完全に新しい粉体の重要な機能を評価するために必要な機器をテストします。また、今サンプルの統合に成功は従来の本格的機械試験と評価、(e.g、緊張、疲労、クリープ、衝撃と弾道の評価) 通常ない実行可能なされているこれらの材料の。材料のこのクラス。この記事は、初期の合成、スケール アップ、統合、一括ナノ結晶金属および合金の特性の ARL で利用プロトコルを報告します。

粉体合成の 2 つの主要研究室は、図 1に見ることができます。図 1 aは、小規模な粉体処理の概念と合金設計の迅速な開発を可能にする研究室を示しています。この演習には、(部屋温度 400 ° C) と 10-196 ° C の温度範囲にわたって、粉体プロセスの機能を持ついくつかの高エネルギーのカスタム設計された工場が含まれています。研究室には熱と微細構造の安定性を迅速に評価用に設計されたカスタム水平チューブ炉も含まれています (e.g。、粒成長に関する研究) 新しい金属合金の。最後に、ラボも引張、せん断パンチ印象クリープ テスト デバイスとして最新のインストルメント化されたナノインデンターなどいくつかのユニークな小規模機械試験セットアップを家します。一度徹底的にテストおよび示されている約束の選択した合金は、エンジニア リングと製造のプロトコルは、大規模なを許可するように開発されて大規模な処理研究室 (図 1 b) に移動されます (e.g、キログラム) の生産、。特定のパウダーです。合計では、ラボは投資総額は 200 万米ドルの順序を表す、試作部品の生産を有効にすることによりパイロット スケール製造レベルに研究室のベンチから新規金属粉末の遷移をカバーします。

高エネルギー ボール加工/機械合金ナノ結晶金属と合金パウダー フォーム¹⁷の生産のための汎用性の高いプロセスです。粗粒粉末 (通常平均粒サイズ 5 〜 10 μ m)、粉砕後平均粒径 < 100 nm のナノ結晶粉末を取得する可能性があります。この加工は、シェーカー/振動ミルで定期的に実行されます。フライス加工のバイアルは、粉砕ボール、通常ステンレス鋼と同様に、粉体の希望の金額でいっぱいです。この工場は、約 1080 サイクル分^-1の割合で短い横方向の動きと振動を含む前後の動きでバイアルを交わしています。それぞれの複雑な動きのボールが互いに衝突する、バイアルと、蓋の内側への衝撃し、同時に細かいサイズに粉を減らします。粉体に与えられる運動エネルギーは、タイムズスクエア、軸受の平均速度 (19 m s^-1) の半分の質量に等しい。工場電源、例えば。ミル (15-26 Hz) の周波数の増加, 単位時間あたりにエネルギーが配布されました。指定された 20 時間のボールと最も低い周波数の典型的な数を取って、影響の合計数は、1.5 億を超えています。これらの影響の中に粉は繰り返し破砕と成分を原子レベルで混合されている時点まで焼きつきを経る。顕微鏡的この混合と、組織の微細化は、せん断帯の形だけでなく、高密度転位と点欠陥の微細構造を打破する局所変形によって促進されます。最終的には、衝突の熱が局所の温度を上げると組換えとこれらの欠陥の消滅が発生した自分たちの世代で安定した状態で。欠陥構造再編より小さくより小さい高角度等軸晶粒の形成の結果と最終的には、しかし。したがって、ボールミルは、高密度の欠陥の存在によって明らかに深刻な塑性変形を誘発するプロセスです。このプロセスは、溶質元素と洗練された拡散率増加と二次相の分散、微細構造の全体的なナノ構造のことができます。

高エネルギー cryomilling は、加工プロセスの高エネルギー加工プロセス中に極低温加工バイアルが維持されているという事実を除いてボールミルのようです。バイアルに均一な温度を達成するために工場は、次のとおり変更されています。フライス バイアルは最初、テフロン キャップの密閉されたテフロン スリーブ内に配置します。スリーブは、ステンレス鋼とプラスチック製のチューブを介して適切な寒剤 ((LN₂) 液体窒素または液体アルゴン (LAr)) を含むデュワーに接続されます。寒剤はスリーブ加工バイアルを冷却し、沸点-196 ° C LN₂とラールの-186 ° C など、寒剤のミリング バイアルを保持加工プロセス全体に流れます。低温処理の低温は、室温での加工はできませんそれ以外の場合より延性金属の増加の断片化に します。また、極低温における粒成長など熱活性拡散プロセスを減らす、相分離により、組織の微細化と不溶性元素種の溶解度の増加します。

高エネルギー水平回転式ボールミルは、高エネルギー加工高速ローターを水平ステンレス鋼加工瓶とドライブ シャフトの固定いくつかのブレードで構成されるシステムです。粉砕する粉は粉砕ボールと一緒に瓶の中に転送されます。ボールと粉末の動きは、瓶の中のシャフトの回転によって実現されます。高速で回転するシャフトと加工鋼球衝突加速、粉末にその運動エネルギーを転送します。Rpm の範囲は 100-1000 とボールの平均速度は 14 m s^-1。特に、ミルズは、動作範囲は加工温度 (-30 ° C から 200 ° C 高い) のために装備されて、圧力モード (1500 Torr) (各種カバー ガス利用) または (mTorr)、真空下で実行できます。ベース ユニットに加え工場は、キャリア ガス放電ユニットを搭載、接続アセンブリ読み込みと不活性ガスのカバーの下粉のアンロードを可能にするだけでなく。この装置は、jar ファイル (図 2 b) を加工、典型的な 8 L スチールと一緒に図 2 aで見ることができます。大きいミルに加えて ARL、液体窒素 (図 2) の下で実行する変換された小さいミルを購入しました。この工場は、実行中のサイクルごとの加工粉末の 100-400 g の間生成できます。

プロトコル

1. 小規模な周囲条件下でのナノ結晶粉末の合成

1. 制御されたアルゴン雰囲気のグローブ ボックスに配置第一次要素の 10 g (e.g。、FeNiZr 合金 Fe) とミリングの瓶にボールをフライス加工ステンレス鋼/工具鋼の 100 g。
   注: グローブ ボックス内で瓶を加工への粉体の読み込みは酸素および/または湿気のコンテンツ^18,19の最小摂取量を確認しておく必要。
2. 読み込み後瓶を密封し、グローブ ボックスから外します。除去した後、その jar を完全密閉を確保し、適切な加工機に読み込みます。
3. 1 h 用ミリング加工サイクルを実行した後、バイアルとアルゴンガス充填のグローブ ボックスにバックアップを転送を削除します。
   注: この短い実行製粉 jar および合金の生産されているメディアからの汚染物質の移動を減らすに支援することにより、主要な要素で表面をコートするのに役立つ。
4. 合金粉末を合成するには、だけコーティング加工の瓶をグローブ ボックス内部に比率は目的元素粉末 10 g の合計を追加します。ちょうどそのボールの粉体の質量の質量の比率 10:1 の瓶にボールをフライス加工コーティングの必要量を追加します。蓋を配置し、グローブ ボックスから削除する前に加工瓶を強化する必要があります。除去した後、蓋のさらなる引き締め行わなければならないレンチと副を使用します。
5. 高エネルギー シェーカー ミルと (20 h) の通常順序開始加工にバイアルを配置します。フライス加工が完了した後は、バイアルを取り外してグローブ ボックスに転送すること。慎重に蓋を削除し、精白粉をストレージの目的試料バイアルに転送します。
   注: メカニカルアロイングに使用される代表的な高エネルギー シェーカー ミルは図 3 aに示すように。図 3に示すように 10 と 500 μ m の間平均の最終的な粒子サイズを示すイメージ図 3 bでどのように高エネルギー加工ナノ結晶材料の結果を示す模式図が表示されます。

2. 小規模低温条件下でのナノ結晶粉末の合成

1. コーティングの jar およびボール手順 1.1 1.3 でフライス加工を実行を実行します。
2. 制御された雰囲気のグローブ ボックスでコーティングされた元素粉末の希望の金額で瓶を加工、粉砕を入力します。瓶を締め付け後、グローブ ボックスから削除します。
3. テフロン スリーブとキャップは、高エネルギーのシェーカー ミルのクランプに格納されます内部加工瓶を置きます。
4. デュワー、寒剤を含むを開き加工瓶 (-196 ° C の液体窒素、液体アルゴン-186 ° C) の目的の温度に達していることを確認する約 30 分のフローを許可します。
5. 平衡に達する、時に希望の期間に達するまで、加工を開始します。完了すると、デュワーを閉じる、慎重にスリーブからミリング jar を削除、部屋の温度をさせる乾燥機の前に。
6. フライス jar 部屋の温度に達すると、制御された雰囲気のグローブ ボックスの内部に戻って転送します。慎重に加工 jar ファイルを開きし、粉末を目的のストレージ バイアルに転送します。
   注: 極低温用高エネルギー シェーカー ミルの写真を図 4 aに示します。Cryomilling 操作から削除した後にすぐに加工バイアルは、図 4 bに示します。図 4は、加工処理操作で通常使うボールの数のアイデアを提供します。

3. 大規模なナノ粉末の合成

1. アルゴン グローブ ボックス、シール、内側のガラスの瓶に必要な元素合金粉末を読み込み、削除します。
2. 容器を高エネルギー水平回転式ボールミルにアタッチした後冷却ジャケット内に含まれるステンレス鋼 8 L 容器に 440 C ステンレス ボール ベアリングの約 1 キロをロードします。
   注: 高エネルギー水平回転式ボールミルのさまざまな部分の画像は図 5のとおりです。
3. 容器にアルゴン ガス ラインとクーラント ラインを接続します。埋め戻すとパージ空気を除去するアルゴンのガスの容器。
4. 二重ボール弁を使用すると、加工容器に合金元素粉末を転送し、商工会議所をシールするバルブを閉じます。
5. 粉砕容器とし、埋戻しに粉末抽出システムを接続し、空気を除去するアルゴン ガス抽出システムをパージします。
6. 容器の外側のジャケットを通して-25 ° C でエチレング リコールを流れるを開始します。
7. 400-800 の rpm の回転エネルギーを使用しての時間 (通常 12-30 h) の必要な量の元素粉末 1 kg までの加工プロセスを開始します。フライス加工が完了すると、粉末をアルゴン雰囲気下で jar ファイルに転送します。ストア、アルゴンの jar ファイルには、グローブ ボックスが満ちています。

結果

1 回高エネルギー シェーカー ミルで粉の約 10 g が生産されています。新規ナノ結晶金属および高エネルギー シェーカー ミルで合金の合成に成功後、スケール アップは、高エネルギーの水平回転のボールミルで行われています。

通常は、ナノ粉末、高エネルギー工程、前記微量粉体の粒径は洗練されて、バッチあたり約 10 グラムを使用して生成されます。これは小さな概念実証規模で満足です。ただし、大きな加工装置同じを行うことができますが、大量生産の必要性が存在します。粉末の大量、ターンでは、軍の特定のアプリケーションに適切な関連性の高いサイズ スケールでテストできるバルク部品の生産を可能にします。

5 に 10 g 規模で粗粉体に与えられるエネルギーを小規模研究室のシェーカー ミルで比較的容易に達成されるかもしれません。超微粉粒体の粒子の故障の...

ディスカッション

金属および合金の粉末の粒径を製造するための非常に汎用性の高いメソッドは、メカニカルアロイング他合成技術と比較して、<< 100 nm。 確かに、機械的合金化は、コスト効果的かつ簡単にスケーラブルな方法で生産できる材料ナノ構造の大ボリュームでいくつかの方法の 1 つです。さらに、高エネルギーボールミルは、平衡温度の溶解度は存在しない多くの金属系の固体の溶解度の限界を大幅に増大する示されています。これにより、新しい処理技術他の平衡では不可能な生産する合金の種類の。

粉砕媒体の適切な準備は必要ないが (e.g。、コーティング実行) 最終的な粉に導入された汚染物質の量を最小限に抑えるために強くお勧めします。同様に、酸素および/または湿気の汚染への暴露を最小限にするために、制御された雰囲気のグローブ ボックスの前に、または加工後、粉体の処理を実行すべき。最後に、ケアと注意は、バイアルできます可能性のある特定の動作条件下で粉末の加工中に加圧になると実行すると、プロセスの後加工バイアルを開くときに使用する必要があります。

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材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
銅粉	アルファAesar	42623	球形、-100 + 325メッシュ、99.9%
タンタル粉末	Alfa Aesar	10345	99.97%、-325メッシュ
鉄粉	Alfa Aesar	00170	球形、<10ミクロン、99.9 +%
ニッケル粉末	アルファAesar	43214-325	メッシュ、99.8%
ジルコニウム粉末	アメリカンエレメント	ZR-M-03-P	99.90%
SPEXミル(高エネルギーシェーカーミル)	SPEX SamplePrep	8000M
Zozミル(高エネルギー水平回転ボールミル)	Zoz GmbH	CM01(小型ミル)CM08(大型ミル)
集束イオンビーム	FEI	Nova600i Nanolab デュアルビーム FIB/SEM
走査型電子顕微鏡	FEI	Nova600i Nanolab デュアルビーム FIB/SEM
精密イオン研磨装置	Gatan	695
形透過型電子顕微鏡	日本電子	2100F	多目的電界放出型TEM
アトムプローブトモ	グラフィーCAMECA&	nbsp;LEAP 5000XR
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