미국 육군 연구소에서 대량 Nanocrystalline 금속 처리

요약

이 문서는 소설 금속 분말의 생산에 사용 하는 방법론에 중점을 두고 대량 nanocrystalline 금속의 처리에 육군 연구소에서 지속적인 노력에 대 한 간략 한 개요를 제공 합니다.

초록

그들의 큰 나뭇결된 대응에 상대적으로 중요 한 속성 개선에 대 한 그들의 잠재력을 감안할 때, 많은 작업 nanocrystalline 금속의 지속적인된 발전에 헌신 하고있다. 이러한 노력에도 불구 하 고 실제 응용 프로그램에 실험실 벤치에서 이러한 물질의 전환은 원하는 nanocrystalline 마이크로 구조를 유지 하는 대규모 부품을 생산 하는 무 능력에 의해 차단 되었습니다. 접근 하 고 주어진 금속 녹는점의 온도를 nanosized 곡물 구조를 안정화 하는 입증 된 방법의 개발에 따라 미국 육군 연구소 (ARL) 이러한 개발의 다음 단계로 진행 재료-즉 테스트 및 평가 범위 관련 테스트 환경에에서 적합 한 대규모 부품의 생산. 이 보고서는 처리, 특성화 및 ARL에 이러한 자료의 통합에 지속적인 노력에 대 한 광범위 한 개요를 제공합니다. 특히, 초점 지속적인 연구 활동의 중심에 있는 소형 및 대형-규모 금액 nanocrystalline 금속 분말 생성을 위해 사용 하는 방법론에 배치 됩니다.

서론

Nanocrystalline 금속 고 에너지 기계적 합금에 의해 준비 된 전시 그들의 결이 거친 대응에 비해 우수한 기계적 강도를 표시 되었습니다. 그러나, 열역학 원리에 의해 결정 nanocrystalline 마이크로 구조 곡물 coarsening 고온에서 받을 수 있습니다. 이와 같이, 처리 및이 자료의 응용 프로그램 현재 대량 형태로 안정화 마이크로 구조를 만들 수 있는 능력에 의해 제한 됩니다. 이러한 자료의 잠재력을 감안할 때, 두 가지 기본 방법은 이러한 시스템을 개발 하는 노력에서 추진 되고있다. 첫 번째, 운동 방법에 따라 곡 식의 성장을 방지 하기 위해 결정 입자 경계 (GBs)에 고정 힘을 적용 하는 몇 가지 메커니즘을 이용 한다. 전형적인 메커니즘 (제너 고정)^1,2,3 핀 GBs는 이차 단계를 고용 하거나 용액 드래그 효과^4,5. 열역학 방식에 기반 하는 두 번째 방법은 GBs^6,7,,89, 를 분할 하는 용 질 원자를 통해 기가바이트 자유 에너지를 감소 시켜 곡물 성장 억제 ^{10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}.

으로 개발 하는 첫 번째 단계는 nanograined 미세 합금, 곡물 성장 및 고온에서 microstructural 안정성 관리 하는 열역학과 활동적인 원리에 근본적인 이해 설립 되었다. 전산 재료 과학은 합금 개발 가이드에 사용 되었다. 이러한 통찰력을 사용 하 여, 작은 규모의 많은 다양 한 합금 분말의 밀링 및 다양 한 물리적 및 기계적 특성에 대 한 평가 높은 에너지를 사용 하 여 생산 되었다. 더 유망 시스템에 대 한 고급 특성 기술은 완전히 분말의 미세 조직 관찰된 속성 및 성능 연결 개발 되었다.

동시에, 인프라 및 nanocrystalline 분말에서 대량 부품을 생산 하는 데 필요한 장비를 인수 했습니다. 이 장비에에서는, 일단 완전히 합금 분말에서 대량 자료를 통합 하는 데 필요한 처리 과학 일련의 소규모 실험을 통해 개발 되었다. 일단 대량 표본 사용할 수 있었던, 조건 (예: 피로, 크 리프, 높은 변형 속도, 등등)의 광범위 한 범위에서 이러한 물질의 기계적 응답을 이해 하는 일련의 실험 수행 했다. 이 실험에서 얻은 지식은 응용 프로그램 공간을 안정된 대량 nanocrystalline 합금의 상용화 개발을 사용 되었습니다.

이러한 작업 회의 4 주요 연구소의 구성 된 nanocrystalline 금속 연구 센터의 미국 육군 연구 실험실 (ARL) 내에서 개발을 이끌었습니다. 이 실험실 복잡 한 20 백만 달러의 총 투자를 나타내고, 유일 하다에서 기본, 응용, 및 제조 과학의 측면에 걸쳐. 이 연구소의 주 목적은 파일럿 규모와 사전 제조 단계로 전환-의 증거-개념 아이디어입니다. 이렇게, 그것은 예상는 실험실 프로토타입 부품의 생산을 가능 하 게, 필요한 노하우와 제조 수직 처리에 대 한 과학을 개발 되며 또한 내부적으로 외부 연구 기관으로 연계에 대 한 허용 또는 상용화와 전환이 고급 분말 기술의 산업 파트너입니다.

이전 표시, 식별, 생산, 합성 및 프로토 타입 부품으로 제조의 두 가능성에 대 한 새로운 합금 프로토타입을 빠르게 평가 하 첫 번째 단계가입니다. 이렇게 하려면 몇 가지 독특한, 맞춤형 높은 에너지 통 공장 건설 되었습니다 온도-196 ° C에서 200 ° c의 넓은 범위에 분말을 처리 하는 기능 이름에서 알 수 있듯이이 공장 생산 폭력 떨고 작업 파우더와 파우더는 각 입자에 걸리면 구성을 생산 하는 미디어를 연 삭 사이 반복적인 영향을 통해 정밀한 분말의 약 10-20 g는 원소 분말 믹스를 시작합니다. 분말의 신속한 심사에 적합 하는 동안 이러한 유형의 밀스 명확 하 게 적합 하지 않습니다 (근처) 산업 규모에 분말 생산 (예., 킬로그램).

대량에서 분말을 생성 하는 필요를 감안할 때에 연속으로, 가능한 프로세스 검색은 잠재적으로 가능한 방법 및 장비의 확인 착수 하 고. 행성 볼 밀 연 삭 및 원심력에 의해 발생 하는 충돌 입자 크기 감소에 따른 세로 방향된 튜브에서 반대 방향으로 회전 지원 디스크를 사용 합니다. 크기 약 2 k g까지 대부분 행성 밀스 범위에 대 한 많은. 기존의 밀스와 달리 수직 드럼 내부의 임 펠 러의 시리즈 attritor 공장에 의하여 이루어져 있다. 날개의 회전 분말, 공, 그리고는 날개 사이 충돌을 통해 입자 크기 감소에 따른 연 삭 미디어의 모션을 발생할. 더 큰 attritor 밀스 실행 당 이상의 200 kg을 생산 할 수 있다. 모두이 공장을 제공 하지만 통 밀에 상대적으로 많은 크기에 상당한 증가, 그들은 지속적인 패션에서 실행 되지 않습니다 하지만 해야 합니다 오히려 로드 되며 수동으로 각 실행에 대 한 역.

이러한 단점으로 인해 관심 높은 에너지, 수평 회전 볼 밀의 시리즈를 이동 했다. 일괄 처리 당 200kg으로 처리 가능,이 공장도 불활성 분위기 뿐만 아니라 진공에서 작동할 수 있습니다. 마지막으로, 밀링 챔버 밀링 프로세스가 완료 되 면 분말의 신속 하 고 자동 제거에 대 한 허용 하는 출입구와 함께 설계 되었습니다. 볼 밀은 산업 설정에 대 한 매우 가능한 시스템 고 상당히 지속적인 방식으로 실행할 수 있는 자동 분말 분사 시스템 결합 하 여, 즉. 특징의이 조합, ARL 최근 구입 하 고 설치 된 두 개의 공장 있으며 지금 내부 분말 처리 노력을 upscaling에 종사.

분말 처리 노력에 계속 노력의 중앙 부분을 나타냅니다, 특성화 고는 가장 유망한 합금 분말의 통합 있습니다 집중된 연구의 분야. 실제로, 아래, ARL로 했다 주목할 만한 투자 필요한 분석 하 고 완전히 새로운 분말의 주요 특징을 평가 하는 데 필요한 장비를 테스트. 또한, 샘플의 성공적인 통합 이제 기존의 전체 규모 기계 테스트 및 특성화에 대 한 허용 (예., 긴장, 피로, 크 리프, 충격 및 탄도 평가)는 일반적으로 하지 않은 실현 이러한 자료의 대 한 재료의이 종류. 이 기사는 ARL에 활용 하는 초기 합성, 확장, 통합 및 대량 nanocrystalline 금속 및 합금의 특성에 대 한 프로토콜을 보고 합니다.

분말 합성에 대 한 두 개의 주요 연구소는 그림 1에서 볼 수 있습니다. 그림 1A 소규모 분말 처리 실험실 개념 및 합금 디자인의 급속 한 발전을 가능 하 게 보여줍니다. 이 실험실 온도 (실내 온도 400 ° C에)와 10-196 ° c의 범위 기능 프로세스 분말을 가진 여러 사용자 정의 설계 된 높은 에너지 공장을 포함합니다. 실험실 열 및 microstructural 안정성의 신속한 평가 위한 사용자 지정 수평 관으로도 포함 되어 있습니다 (예., 곡물 성장 연구) 새로운 금속 합금의. 마지막으로, 실험실 또한 긴장, 전단 펀치, 테스트 장치, 뿐만 아니라 최신의 계측된 나노-indenter 인상 크 리프 등 여러 독특한 소규모 기계적 테스트 설정 집. 철저 하 게 테스트와 표시 된 약속의, 선택한 합금 이동 대규모 처리 연구소 (그림 1B), 엔지니어링 및 제조 프로토콜 대규모 수 있도록 개발 되 (예., 킬로그램)의 생산은 특정 분말입니다. 총, 실험실 2 백만 USD의 순서 총 투자 나타내고 프로토 타입 부품의 생산 하도록 파일럿 규모 생산 수준에 실험실 벤치에서 새로운 금속 분말의 전환 커버.

높은 에너지 볼 밀링/기계 합금 nanocrystalline 금속 및 합금 분말 양식¹⁷을 제작 하기 위한 다양 한 과정 이다. 거친 나뭇결된 분말 (일반적으로 평균 입자 크기 5 ~ 10 µ m)에서 시작 해 서, 그것은 밀링 후 평균 입자 크기 < 100 nm와 nanocrystalline 분말을 얻을 수 있습니다. 이 밀링 진동/통 밀에서 정기적으로 수행 됩니다. 밀링 유리병 밀링 공, 일반적으로 스테인리스 분말의 원하는 금액으로 채워집니다. 이 밀 앞뒤로 진동 약 1080 주기 분^-1의 속도로 짧은 측면 움직임을 포함 하는 모션에 튜브를 쉐이크. 각 복잡 한 모션 볼 서로 충돌, 유리병과 뚜껑의 안쪽에 대 한 영향을 미칠와 동시에 미세한 크기에 분말을 줄이기 위해. 운동 에너지는 분말으로이 수은 베어링의 평균 속도 (19 m s^-1)의 광장 시간 절반 질량. 밀 힘, 예를 들어. 에너지 단위 시간, 밀 (15-26 Hz)의 주파수는 증가 당 전달. 주어진된 20 h 동안 공 및 가장 낮은 주파수의 전형적인 수를 복용, 영향의 총 수 1.5 빌을 초과 합니다. 이러한 영향 동안 분말 반복 골절과 성분 원자 수준에서 혼합 되어 지점까지 cold-welding를 겪 습. 미세이 혼합과 미세의 세련미는 미세 분해 전위와 점 결함의 높은 밀도 서 전단 밴드의 형태에서 지역화 된 변형에 의해 촉진 된다. 결국, 충돌의 열 발생 로컬 온도, 이러한 결함의 종말 그리고 재결합 발생 그들의 세대와 함께 안정 된 상태에서. 결함 구조 결국, 개편, 작고 작은 높은 각도 equiaxed 곡물의 형성에 결과 비록. 따라서, 공을 밀링 결함의 높은 밀도의 존재에 의해 각 성 심각한 플라스틱 개 악을 유도 하는 과정 이다. 이 과정은 용 질 요소와 세련미의 증가 확산 및 분산 보조 단계는 미세의 전반적인 nanostructuring 있습니다.

높은 에너지 cryomilling 밀링 유리병 밀링 과정에서 저온 온도에 유지 됩니다 사실 제외한 높은 에너지 볼 밀링 유사한 밀링 과정 이다. 유리병에 균일 한 온도 달성 하기 위해 밀 다음과 같이 수정 했습니다. 밀링 유리병 처음 후 테 플 론 모자와 함께 봉인 하는 테 플 론 소매 안에 배치 됩니다. 소매는 스테인리스 스틸 및 플라스틱 튜브를 통해 적절 한 제 (액체 질소 (선₂) 또는 액체 아르곤 (LAr))를 포함 하는 dewar에 연결 된다. 제 밀링 유리병을 냉각 하 고 유지 하는-196 ° C LN₂ 와-186 ° C LAr 등 제의 끓는 온도에서 밀링 유리병을 밀링 과정 전반에 걸쳐 소매 흐르는. 극저온 처리의 낮은 온도 실 온에서 가공 될 수 없는 더 연 성 금속의 증가 조각화 이어질. 또한, 극저온 온도 감소 곡물 성장 등 열 활성화 된 diffusional 프로세스 및 단계 분리 함으로써 증가 미세의 세련미와 불용 성 원소 종의 가용성.

고 에너지 수평 회전 볼 밀은 높은 에너지 밀링 고속 회전자 수평 스테인리스 스틸 밀링 항아리 여러 블레이드 드라이브 샤프트에 고정으로 구성 된 시스템 이다. 가공 된 것을 분말 밀링 공 함께 항아리 안에 전송 됩니다. 운동 공 및 분말의 단지 내부 축 회전을 통해 이루어집니다. 고속 회전 하는 샤프트 및 밀링 강철 공 충돌, 가속, 파우더를 그들의 운동 에너지를 전송. Rpm의 범위 100-1000 이며 볼의 평균 속도 14 m s^-1. 특히, 선반 밀링 온도 (-30 ° C ~ 200 ° C 높은)의 범위에 고 진공 (mTorr)에서 또는 압력 모드 (1500 하루) (다양 한 종류의 커버 가스 활용)를 통해 실행할 수 있습니다. 기본 단위 뿐만 아니라 밀 장착 캐리어 가스 방전 장치 연결 어셈블리 로드 및 언로드 불활성 가스 덮개 아래 분말의 수 뿐만 아니라. 이 장치는 전형적인 8 L 스틸 밀링 항아리 (그림 2B)와 함께 그림 2A 에서 볼 수 있습니다. 큰 밀 이외에 ARL는 액체 질소 (그림 2C)에서 실행 되도록 변환 되었습니다 작은 밀을 구입 했다. 이 밀 실행 주기 당 가공된 분말의 100-400 g 사이 생산할 수 있다.

프로토콜

1. 작은 규모 주위 조건 하에서 Nanocrystalline 분말의 합성

1. 제어 아르곤 분위기 장갑 상자에서 배치의 기본 요소 10 g (예., FeNiZr 합금에서 Fe)와 원하는 밀링 항아리에서 볼 밀링 하는 스테인레스 스틸/도구 강철의 100 g.
   참고: 밀링 장갑 상자 안에 항아리에 분말의 로드는 산소 및 수 분 콘텐츠 ^18,19에서 최소한의 이해를 보장 합니다.
2. 후, 항아리를 밀봉 하 고 장갑 상자에서 제거 합니다. 제거 후에, 그 용기는 완전히 밀폐 되어 확인 하 고 적절 한 밀링 기계에 로드 합니다.
3. 1 h 밀링 사이클을 수행한 후 유리병 및 전송 장갑 아르곤 채워진 상자에 다시 제거 합니다.
   참고:이 짧은 항아리와 미디어 생산 되 고 합금을 밀링에서 오염 물질의 양도 줄일 수 있도록 함으로써 기본 요소와 모든 표면 코트 역할을 실행 합니다.
4. 합금 분말, 합성 장갑 상자 안에 그냥 코팅된 밀링 항아리에 원하는 비율에 원소 분말의 10 g의 총을 추가 합니다. 그냥 코팅 분말의 질량을 공의 질량의 10:1 비율이 되도록 항아리에 볼 밀링의 필요한 금액을 추가 합니다. 뚜껑을 배치 하 고 장갑 상자에서 제거 하기 전에 밀링 항아리에 강화 해야 합니다. 제거 후, 뚜껑의 추가 강화 수행 되어야 한다는 렌치와 악을 사용 하 여.
5. 높은 에너지 통 밀 및 시작 밀링 작업 (일반적으로 20 h) 순서에 유리병을 놓습니다. 완료 후에 밀링, 유리병을 제거 하 고 장갑 상자에 그것을 전송. 조심 스럽게 뚜껑을 제거 하 고 저장을 위해 원하는 샘플 유리병에 가공 된 분말을 전송.
   참고: 기계적 합금에 사용 되는 일반적인 고 에너지 통 밀 그림 3A에 표시 됩니다. 어떻게 높은 에너지 밀링 nanocrystalline 물자에 결과 보여주는 회로도 그림 3C에서 10, 500 µ m 사이 평균 최종 입자 크기를 보여주는 이미지와 그림 3B에 표시 됩니다.

2. 작은 규모 저온 조건에서 Nanocrystalline 분말의 합성

1. 코팅 밀링 항아리와 공 1.1-1.3 단계에서 설명한 대로 실행을 수행 합니다.
2. 제어 분위기 장갑 상자에서 코팅 원하는 양의 원소 분말 항아리 밀링 및 밀링 미디어 작성. 항아리, 강화 후 장갑 상자에서 제거 합니다.
3. 테 플 론 소매 및 모자, 높은 에너지 통 밀의 클램프에 배치 됩니다 밀링 항아리를 놓습니다.
4. cryogen를 포함 하는 dewar 열고 밀링 항아리에는 원하는 온도 (-196 ℃ 액체 질소와 액체 아르곤에 대 한-186 ° C)에 도달 했습니다 수 있도록 약 30 분에 대 한 흐름을 허용 합니다.
5. 평형에 도달, 원하는 기간에 도달할 때까지 밀링 작업을 시작 합니다. 완료 되 면, dewar 닫습니다 신중 하 게 소매에서 밀링 항아리를 제거 하 고 실내 온도에 그것을가지고 건조 기 앞에서 그것을 배치.
6. 밀링 항아리에는 실내 온도 도달 하면, 일단 제어 분위기 장갑 상자 안에 다시 전송. 조심 스럽게 밀링 항아리를 열고 원하는 저장 유리병에 파우더를 전송 합니다.
   참고: 높은 에너지 통 밀 극저온 온도에서 사용을 위해 적응의 그림은 그림 4A에 표시 됩니다. 그림 4B 에서 cryomilling 작업에서 제거 된 후에 즉시 밀링 유리병이입니다. 그림 4C 밀링 처리 작업에서 일반적으로 사용 되는 공 수의 아이디어를 제공 합니다.

3. 대규모 Nanocrystalline 분말의 합성

1. 아르곤 글러브 박스, 인감, 내부 유리 항아리에 필요한 원소 합금 분말을 로드 하 고 제거 합니다.
2. 연결한 후 배 고 에너지 수평 회전 볼 밀, 냉각 재킷에 포함 된 스테인리스 8 L 용기로 440 C 스테인리스 볼 베어링의 약 1 kg을 로드 합니다.
   참고: 높은 에너지 수평 회전 볼 밀의 다양 한 부품의 이미지는 그림 5에 나와 있습니다.
3. 그릇에 아르곤 가스 라인 및 냉각수 라인을 연결 합니다. 다시-채우기 및 지우기 아르곤 가스 공기를 제거 하는 용기
4. 더블 볼 밸브를 사용 하 여 밀링 혈관으로 합금 원소 분말을 전송 하 고 챔버를 봉인 하기 위해 밸브를 닫습니다.
5. 밀링 선박 및 다음 다시-채우기 분말 추출 시스템을 연결 하 고 제거 하는 공기를 아르곤 가스로 추출 시스템을 제거.
6. 선박의 외부 재킷을 통해-25 ° C에서의 에틸렌 글리콜을 흐르는 시작 합니다.
7. 400-800 rpm의 회전 에너지를 사용 하 여 원하는 양의 시간 (일반적으로 12-30 h) 원소 분말의 최대 1 k g에 대 한 밀링 과정을 시작 합니다. 밀링 완료 되 면 아르곤 분위기에서 항아리에는 분말을 전송 합니다. 저장소는 아르곤에 항아리 가득 글러브 박스.

결과

약 10 g 분말의 높은 에너지 통 밀에 각 실행 당 생산 됩니다. 소설 nanocrystalline 금속 및 합금 높은 에너지 통 밀에서의 성공적인 합성 후 최대 규모 고 에너지 수평 회전 볼 밀에서 실시 됩니다.

일반적으로, nanostructured 분말 높은 에너지 프로세스, 어떤 점에서 작은 양의 분말의 입자 크기는 정제, 밀링 일괄 처리 당 약 10 g을 사용 하 여 생성 됩니다. 이것은 소규모의 증거-개념에 만족입니다. 그러나, 더 큰 기구는 동일을 할 수 있는 밀링 하지만 대량 생산에 대 한 필요가 존재 합니다. 상당한 양의 분말을, 차례 차례로, 육군 특정 응용 프로그램에 대 한 적절 한 관련 크기 규모에서 시험 될 수 있다 대량 부품의 생산에 대 한 수 있습니다.

토론

다른 합성 기법에 비해, 입자 크기와 금속 및 합금 분말을 생산 하는 매우 다양 한 방법은 기계적 합금 << 100 nm. 실제로, 기계적 합금 재료 비용 효과적이 고 쉽게 확장 가능한 방식으로 생산 수 nanostructured의 큰 볼륨에는 몇 가지 방법 중 하나입니다. 또한, 고 에너지 볼 밀링 훨씬 없는 평형 실내 온도 용 해도 존재 하지 않는 다른 많은 금속 시스템에서 고체 용 해도의 제한을 증가 표시 되었습니다. 새로운 유형의 다른 평형 기법 처리 불가능 한 생산 합금에 대 한 수 있습니다.

비록 반드시 필요한, 밀링 미디어의 적절 한 준비 (예., 코팅 실행)이 최종 분말에 도입 하는 오염 물질의 양을 최소화 하기 위해 좋습니다. 마찬가지로, 분말, 처리 전 또는 후 밀링, 산소 및 수 분 오염에 노출을 최소화 하기 위해 제어 분위기 글러브 박스에서 수행 되어야 합니다. 마지막으로, 배려 및 주의 유리병 잠재적으로 특정 작동 조건 하에서 분말의 밀링...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
구리 분말	Alfa Aesar	42623	구형, -100+325 메시, 99.9%
탄탈륨 분말	Alfa Aesar	10345	99.97%, -325 메시
철 분말	Alfa Aesar	00170	구형, < 10 마이크론, 99.9+%
니켈 분말	Alfa Aesar	43214-325	메시, 99.8%
지르코늄 분말	American Elements	ZR-M-03-P	99.90%
SPEX 밀스 (고에너지 쉐이커 밀)	SPEX SamplePrep	8000M
Zoz mills (고 에너지 수평 로터리 볼 밀)	Zoz GmbH	CM01 (소형 밀) CM08 (대형 밀)
집속 이온 빔	FEI	Nova600i Nanolab 듀얼 빔 FIB/SEM
주사 전자 현미경	FEI	Nova600i Nanolab 듀얼 빔 FIB/SEM
정밀 이온 연마 시스템	가탄	모델 695
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