Przetwarzanie masowych metali nanokrystalicznych w Laboratorium Badawczym Armii Stanów Zjednoczonych

Ogólnym celem tej procedury jest wytworzenie mechanicznie stopionych proszków nanokrystalicznych, które można przekształcić w stabilizowane luzem metale i stopy nanokrystaliczne. Aby sprostać stale rosnącym wymaganiom w zakresie wydajności materiałowej, armia amerykańska podjęła się opracowania stabilizowanych masowych stopów nanokrystalicznych do stosowania w szerokim zakresie warunków pracy. Mielenie kulowe jest jedną z niewielu technik syntezy sprzyjających wytwarzaniu dużych ilości proszków nanokrystalicznych, ułatwiając tym samym produkcję na skalę przemysłową tego uniwersalnego zastosowania konstrukcyjnego.

Zaawansowane techniki charakteryzacji, takie jak transmisyjna mikroskopia elektronowa i protomografia atomów, w połączeniu z ekstrakcją materiałów specyficznych dla wzroku, na którym skupiliśmy się podczas mielenia, umożliwiają określenie struktury, właściwości, relacji przetwarzania i stopów luzem. Oprócz produkcji addytywnej, ARL oferuje różnorodne techniki konsolidacji, w tym równomiernie kanałową wytłaczanie kątowe (ECAE), technologię spiekania wspomaganego w terenie (FAST) i prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP). Aby rozpocząć syntezę na małą skalę, w komorze rękawicowej wypełnionej argonem umieść 10 gramów podstawowego pierwiastka stopu i 100 gramów kulek do mielenia ze stali nierdzewnej lub stali narzędziowej w słoiku do mielenia ze stali nierdzewnej.

Zamknij słoik do mielenia i wyjmij go ze schowka na rękawiczki. Zaciśnij słoik w imadle i dokręć pokrywkę kluczem. Następnie zabezpiecz całkowicie zamknięty słoik w zacisku wysokoenergetycznego młynka wytrząsającego.

Wykonaj godzinny cykl mielenia, aby pokryć zarówno wnętrze słoika, jak i kule mielące pierwiastkiem podstawowym. Następnie wyjmij słoik z młynka i włóż go z powrotem do schowka wypełnionego argonem. Otwórz słoik i usuń sypki proszek z kul mielących i słoika.

Dodaj do powlekanego słoika łącznie 10 gramów proszków elementarnych w wymaganych proporcjach dla stopu. Dodaj powlekane kule mielące, aby uzyskać stosunek masy kulek mielących do proszku 10 do 1. Zamknij słoik i wyjmij go ze schowka.

Dokręć pokrywkę słoika do mielenia za pomocą imadła i klucza przed załadowaniem słoika do wysokoenergetycznego młynka wytrząsającego. Po zabezpieczeniu słoika mielącego w młynie należy rozpocząć cykl mielenia o czasie trwania odpowiednim dla produkowanego stopu. Po zakończeniu cyklu mielenia włóż słoik z powrotem do schowka wypełnionego argonem.

Ostrożnie zdjąć pokrywkę i przenieść nanokrystaliczny proszek do fiolki z próbką w celu przechowywania. Aby rozpocząć kriogeniczną syntezę na małą skalę, należy pokryć wnętrze słoika do mielenia odpowiednim medium do mielenia podstawowym pierwiastkiem pożądanego stopu, jak opisano wcześniej. Następnie w komorze rękawicowej wypełnionej argonem umieść wymagane ilości pierwiastkowych proszków stopowych w powlekanym słoiku z mieleniem.

Szczelnie zamknij słoik i wyjmij słoik ze schowka. Użyj imadła i klucza, aby całkowicie dokręcić pokrywkę słoika. Dopasuj słoik do tulei PTFE połączonej z dewarem ciekłego azotu lub ciekłego argonu.

Umieść nakrętkę z PTFE na słoiku i tulei, a następnie umieść dołączony słoik w zacisku wysokoenergetycznego młynka wytrząsarskiego. Upewnij się, że słoik do mielenia jest bezpieczny i odpowiednio uszczelniony. Następnie otwórz przepływ kriogenu do słoika do mielenia.

Pozwól kriogeniczni płynąć przez około 30 minut lub do momentu, gdy kriogen będzie widocznie wypływał z wylotu przez dwie minuty, aby upewnić się, że słoik osiągnie żądaną temperaturę. Zainicjuj cykl mielenia o żądanym czasie trwania. Po zakończeniu zatrzymaj przepływ kriogenu i ostrożnie wyjmij słoik do mielenia z tulei PTFE.

Umieść słoik przed suszarką na gorące powietrze i pozwól słoikowi ogrzać się do temperatury pokojowej. Następnie przenieś słoik do wypełnionego argonem schowka rękawicowego. Ostrożnie otwórz słoik i przenieś nanokrystaliczny proszek do fiolki do przechowywania.

Aby rozpocząć syntezę na dużą skalę, w komorze rękawicowej wypełnionej argonem załaduj pierwotny proszek pierwiastkowy stopu do szklanego słoika. Załaduj do jednego kilograma pierwiastkowych proszków stopowych do drugiego szklanego słoika. Uszczelnij oba słoiki nakrętkami przeznaczonymi do przenoszenia proszku do naczynia do mielenia bez wystawienia na działanie powietrza.

Wyjmij zapieczętowane słoiki ze schowka na rękawiczki. Następnie podłącz ośmiolitrowe naczynie do mielenia ze stali nierdzewnej z płaszczem chłodzącym do poziomego młyna kulowego o wysokiej energii, a następnie załaduj do naczynia około jednego kilograma łożysk kulkowych ze stali nierdzewnej 440C. Podłącz przewód gazowy argonu i przewody chłodzące glikolu etylenowego do zbiornika.

Napełnij i oczyść naczynie argonem, aby usunąć powietrze, a następnie podłącz szklany słoik z pierwotnym proszkiem pierwiastkowym do zespołu ładującego proszek młyna kulowego. Użyj podwójnego zaworu kulowego, aby przenieść pierwotny proszek pierwiastkowy ze szklanego słoika do naczynia mielącego w atmosferze argonu. Zamknij zawór, aby uszczelnić komorę, a następnie podłącz system ekstrakcji proszku do naczynia mielącego.

Zasyp i oczyść system ekstrakcji argonem w celu usunięcia powietrza. Wykonaj krótki cykl kodowania z pierwotnym proszkiem pierwiastkowym. Po zakończeniu usunąć sypki proszek w atmosferze argonu, a następnie przenieść pierwiastkowe proszki stopowe ze szklanego słoika do naczynia mielącego w atmosferze argonu, jak opisano wcześniej.

Rozpocznij przepływ glikolu etylenowego w temperaturze minus 25 stopni Celsjusza przez zewnętrzny płaszcz naczynia. Po schłodzeniu naczynia uruchom młyn kulowy na 12 do 30 godzin z prędkością obrotową od 400 do 800 obr./min. Na koniec przenieś proszki stopowe do słoika do przechowywania w atmosferze argonu za pomocą ekstraktora do proszków.

Przechowuj słoik w schowku rękawicowym wypełnionym argonem. Synteza proszków na małą skalę na ogół prowadziła do powstania nanokrystalicznych mikrostruktur o średniej wielkości cząstek proszku od 10 do 500 mikrometrów. Proszki zostały przetworzone za pomocą ECAE, co pozwoliło na znaczne udoskonalenie mikrostruktury i tekstury.

STEM w jasnym polu próbki tantalu przetworzonej przez ECAE z miedzi o zawartości 10 atomowych procent umożliwił zmierzenie wielkości ziaren na podstawie wyraźnie rozdzielonych ziaren. Wysokokątowa pierścieniowa technologia Dark Field STEM wykazała wysoką gęstość liczbową cząstek tantalu i szeroki zakres rozmiarów cząstek. Na przykład ta cząstka tantalu o szerokości 40 nanometrów była otoczona cząstkami tantalu o średnicy od 5 do 20 nanometrów.

Duża cząstka tantalu miała częściową powłokę wokół dolnej połowy. Wysoką gęstość liczbową cząstek tantalu określono ilościowo za pomocą tomografii sondy atomowej. APT wykorzystano również do lokalizacji i ilościowego oznaczania cząstek dwutlenku wolframu i sodu w galwanizowanym stopie niklu i wolframu.

Wraz z STEM, trójwymiarowe mapy atomów i widma masowe z APT były niezbędne do pełnego zrozumienia mikrostruktury i mechanizmów mechanicznie stopionych proszków nanokrystalicznych. Konsolidacja próbek masowych proszku cyrkonu żelazowo-niklowego przez prasowanie izostatyczne na gorąco dała maksymalną gęstość około 96% Konwencjonalne wykopywanie w temperaturze 1000 stopni Celsjusza z powodzeniem skonsolidowało próbki cyrkonu żelazowo-niklowego luzem z proszków. Metody przetwarzania proszków opracowane w Wojskowym Laboratorium Badawczym zaowocowały różnorodnymi nanokrystalicznymi stabilizowanymi proszkami stopów metali.

Doskonała stabilność termiczna tych proszków umożliwia konsolidację i ocenę składników masowych w sposób, który wcześniej nie był możliwy.