Summary
Dieses Dokument enthält eine kurze Übersicht über die laufenden Bemühungen der Army Research Laboratory auf die Bearbeitung von Bulk nanokristallinen Metallen mit Betonung auf die Methoden für die Herstellung von neuartigen Metallpulver.
Abstract
Da ihr Potenzial für signifikante Eigenschaft Verbesserungen im Vergleich zu ihren großen gemaserten Gegenstücken, wurde viel Arbeit zur kontinuierlichen Weiterentwicklung von nanokristallinen Metallen gewidmet. Trotz dieser Bemühungen wurde der Übergang dieser Materialien aus dem Labortisch zu tatsächlichen Anwendungen blockiert durch die Unfähigkeit, großflächige Teile zu produzieren, die die gewünschte nanokristallinen Mikrostrukturen zu behalten. Im Anschluss an die Entwicklung einer Methode erwiesen, um die nanoskaligen Kornstruktur Temperaturen nähert sich der Schmelzpunkt für die gegebenen Metall zu stabilisieren hat die US Army Research Laboratory (ARL) in die nächste Phase in der Entwicklung dieser fortgeschritten Materialien - nämlich die Herstellung von großflächigen Teilen geeignet für die Prüfung und Bewertung in einer Reihe von einschlägigen Testumgebungen. Dieser Bericht enthält eine umfassende Übersicht über die laufenden Bemühungen in der Verarbeitung, Charakterisierung und Konsolidierung dieser Materialien im ARL. Insbesondere ist Schwerpunkt auf der Methodik zur Herstellung nanokristalliner Metallpulver, in kleinen und großen Mengen, die in der Mitte des laufenden Forschungsanstrengungen sind.
Introduction
Nanokristalline Metalle durch hochenergetische mechanischen legieren vorbereitet haben gezeigt, überlegene mechanischen Festigkeit im Vergleich zu grobkörnigen Gegenstücke auszustellen. Allerdings unterliegen durch die thermodynamischen Grundsätze diktiert, nanokristalline Mikrostruktur Korn Vergröberung bei erhöhten Temperaturen. Als solche ist Verarbeitung und Anwendungen dieser Materialien derzeit begrenzt durch stabilisierte Mikrostrukturen in loser Form zu erstellen. Angesichts des Potentials dieser Materialien, werden in dem Bemühen, solche Systeme zu entwickeln zwei primäre Methoden verfolgt. Das erste basiert auf einem kinetischen Ansatz nutzt verschiedene Mechanismen um eine pinning Kraft auf den Korngrenzen (GBs) anzuwenden, um Kornwachstum zu verhindern. Typische Mechanismen eingesetzt, um Pin sind die GBs Sekundärphasen (Zener-pinning)1,2,3 und/oder gelösten ziehen Sie Effekte4,5. Die zweite Methode basiert auf einem Ansatz Thermodynamik unterdrückt Kornwachstum durch die Reduzierung der GB freien Energie durch gelöste Atome Partitionierung auf die GBs6,7,8,9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16.
Der erste Schritt zur Entwicklung von mit ein Nanograined Gefüge Legierungen, entstand das grundlegende Verständnis in thermodynamischen und kinetischen Prinzipien Kornwachstum und mikrostrukturellen Stabilität bei erhöhten Temperaturen. Computational Material Science wurde auch verwendet, um Legierungsentwicklung zu führen. Verwenden diese Erkenntnisse, wurden mit hochenergetischen Fräsen und für ein breites Spektrum von physikalischen und mechanischen Eigenschaften bewertet kleinen viele verschiedenen Legierung Pulver hergestellt. Für die viel versprechender Systeme wurden erweiterte Charakterisierung Techniken entwickelt, um vollständig die Mikrostruktur des Pulvers mit der beobachteten Eigenschaften und Leistung zu verbinden.
Gleichzeitig wurde die Infrastruktur und Ausrüstung benötigt, um lose Komponenten von nanokristallinen Pulver produzieren erworben. Sobald diese Ausrüstung vorhanden war, wurde die Verarbeitung Wissenschaft Schüttgüter aus der Legierung Pulver voll konsolidieren müssen durch eine Reihe von kleinen Experimenten entwickelt. Sobald Masse Exemplare zur Verfügung standen, eine Reihe von Experimenten wurden durchgeführt, um das mechanische Verhalten dieser Materialien unter den unterschiedlichsten Bedingungen (z. B. Müdigkeit, kriechen, hohe Verformungsgeschwindigkeit, etc.) zu verstehen. Die Erkenntnisse aus diesen Experimenten wurde zur Einsatzmöglichkeit Räume zu entwickeln, mit denen die Kommerzialisierung der stabilisierten Massen nanokristalline Legierungen.
Kollektiv, hat die Erfüllung dieser Aufgaben zur Entwicklung innerhalb US Army Research Laboratory (ARL) eines nanokristallinen Metallen Forschungszentrums bestehend aus 4 wichtigsten Labors geführt. Diese Laborkomplex entspricht einem Investitionsvolumen von 20 Millionen US-Dollar und ist einzigartig, denn es erstreckt sich über Aspekte der Herstellung grundlegende und angewandte Wissenschaft. Der Hauptzweck von diesen Übungseinheiten soll Übergang Proof-of-Concept-Ideen auf Ebene der Pilot- und Pre-Produktion. Dabei wird erwartet, dass die Labs die Produktion von Prototypen ermöglichen, das nötige Know-how und die Herstellung von Wissenschaft für die Aufstockung Verarbeitung zu entwickeln und sowohl intern als auch Verbindungen zu externen Forschungsinstituten ermöglichen oder Partnern aus der Industrie über die Kommerzialisierung und des Übergangs dieser erweiterte Pulver-Technologie.
Wie bereits erwähnt, ist der erste Schritt zu erkennen, zu produzieren und neue Legierung Prototypen für beide Realisierbarkeit von Synthese und Herstellung in Prototypenteile schnell zu bewerten. Um dies zu erreichen, wurden mehrere einzigartige, individuell gestaltete hochenergetische Shaker Mühlen gebaut mit der Fähigkeit zu Pulver verarbeiten über einen weiten Temperaturbereich von-196 ° C bis 200 ° C. Wie der Name schon sagt, diese Mühlen produzieren etwa 10-20 g Feinstaub durch die heftigen Schütteln Aktion, die bewirkt, sich wiederholende Auswirkungen zwischen Pulver und Mahlkörper dass um Pulver zu produzieren, in dem jedes Partikel hat eine Komposition im Verhältnis zu, den ab elementare Trockenmischung. Während geeignet für die schnelle Screening von Pulvern, Mühlen dieser Art sind eindeutig nicht geeignet für Pulverherstellung auf (fast) industriellen Maßstab (z. B.., Kilogramm).
Angesichts der Notwendigkeit, Pulver in großen Mengen zu produzieren und in als kontinuierliche war ein Prozess wie möglich, eine Suche durchgeführt, potenziell lebensfähiger Methoden und Geräte zu identifizieren. Planetare Kugelmühlen verwenden eine Auflagescheibe die dreht in die entgegengesetzte Richtung von der vertikal ausgerichteten Fläschchen, wodurch Partikelgrößenreduktion durch Schleifen und Kollisionen verursacht durch Fliehkräfte. Losgrößen Sie für die meisten Planetenmühlen Reichweite bis zu ca. 2 kg. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mühlen Attritor Mühlen besteht aus einer Reihe von Laufrädern in eine vertikale Trommel. Die Drehung der Laufräder verursachen die Bewegung der Mahlkörper, wodurch Partikelgrößenreduktion durch Kollisionen mit Pulver, Kugeln und die Laufräder. Größere Attritor Mühlen sind in der Lage, mehr als 200 kg pro Durchlauf. Obwohl beide dieser Mühlen deutliche Steigerungen in Losgrößen relativ Shaker Mühlen bieten, müssen sie sind nicht in der Lage, in einer kontinuierlichen Weise ausgeführt sondern werden geladen und Entladen manuell für jeden Lauf.
Aufgrund dieser Mängel verlagert die Aufmerksamkeit auf eine Reihe von hochenergetischen, horizontal rotierende Kugelmühlen. Mehr als 200 kg pro Charge verarbeiten kann, diese Mühlen sind auch geeignet für den Betrieb unter inerter Atmosphäre sowie Vakuum. Schließlich wurde die Mahlkammer mit einer Luftschleuse entwickelt, das ermöglicht die schnelle und automatische Entfernung von Pulver nach Abschluss der Mahlprozess. In Kombination mit einer automatischen Pulver-Einspritzsystem, heißt das die Kugelmühle in ziemlich kontinuierlicher Weise, wodurch es ein sehr praktikable System für industriellen Umgebungen lauffähig ist. Durch diese Kombination von Merkmalen ARL hat vor kurzem gekaufte und installierende zwei Mühlen und jetzt beschäftigt sich mit upscaling interne Pulver Verarbeitung Bemühungen.
Während die Pulver Verarbeitung Bemühungen einen zentralen Aspekt der laufenden Bemühungen darstellen, sind auch die Charakterisierung und Konsolidierung der vielversprechendsten Legierung Pulver fokussierten Forschungsschwerpunkte. In der Tat, wie nachfolgend ARL hat nennenswerte Investitionen in die erforderlichen analytischen und Prüfgeräte benötigt, um die Hauptmerkmale der neuen Pulver vollständig zu bewerten. Darüber hinaus ermöglicht erfolgreiche Konsolidierung der Proben jetzt für konventionelle Vollausschlag mechanische Prüfung und Charakterisierung (zB., Spannung, Ermüdung, kriechen, Schock und ballistischen Auswertung) dieser Materialien, die in der Regel nicht möglich ist für diese Art von Material. Dieser Artikel berichtet die Protokolle bei ARL für die erste Synthese, Scale-Up, Konsolidierung und Charakterisierung von Schüttgut nanokristallinen Metallen und Legierungen genutzt.
Die beiden wichtigsten Labore für Pulver-Synthese ist in Abbildung 1ersichtlich. Abbildung 1A zeigt das kleine Pulver Verarbeitung Labor ermöglicht die schnelle Entwicklung von Konzepten und Legierung Design. Diese Übungseinheit enthält mehrere speziell angefertigte Hochenergie-Mühlen mit der Fähigkeit, Prozess-Pulver in einem bestimmten Temperaturbereich (Raumtemperatur bis 400 ° C) und 10 bis-196 ° C. Das Labor auch enthält eine benutzerdefinierte horizontale Rohrofen für die schnelle Bewertung der thermischen und mikrostrukturellen Stabilität ausgelegt (zB., Korn Wachstum Studien) der neuen Metall-Legierungen. Schließlich beherbergt das Labor auch mehrere einzigartige mechanische Modellprojekt Setups einschließlich Spannung, Scherung Punsch und Eindruck Creep Test Geräte sowie eine State-of-the-Art instrumentierte Nano-Eindringkörper. Einmal gründlich getestet und gezeigt versprechen, ausgewählten Legierungen werden verschoben, die groß angelegte Entwicklungslabor (Abbildung 1 b), wo die Konstruktion und Fertigung Protokolle erlauben große Skala entwickelt (zB., Kilogramm) Produktion von der spezielle Pulver. Insgesamt die Labs stellen Investitionen in der Größenordnung von 2 Millionen USD und deckt den Übergang von neuartigen Metallpulvern aus dem Labortisch zu den Pilotmaßstab Fertigungsstufen, wodurch die Produktion von Prototypen.
Hohe Energie Kugel Fräsen/mechanische legieren ist ein vielseitiges Verfahren zur Herstellung nanokristalliner Metalle und Legierungen in Pulver-Form-17. Beginnend mit grob gekörnten Pulver (in der Regel mittlere Körnung Größe ca. 5-10 µm), ist es möglich, nanokristallinen Pulver mit mittlere Körnung Größe < 100 nm nach dem Fräsen zu erhalten. Das Fräsen erfolgt routinemäßig in einer Vibrations/Shaker-Mühle. Das Fräsen Fläschchen ist gefüllt mit der gewünschten Menge an Pulver als auch Fräsen Kugeln, in der Regel aus rostfreiem Stahl. Diese Mühle schüttelt die Ampullen in einer Bewegung, die Schwingungen mit kurzen seitlichen Bewegungen mit einer Rate von etwa 1080 Zyklen min-1hin und her geht. Mit jeder komplexen Bewegungen die Kugeln kollidieren miteinander, Wirkung gegen die Innenseite der Flasche und Deckel, und reduzieren Sie gleichzeitig das Pulver auf feinere Größe. Die kinetische Energie vermittelt in das Pulver ist gleich Hälfte der Masse mal dem Quadrat der durchschnittlichen Geschwindigkeit (19 m s-1) der Lager. Die Mühle macht, zB. Energie pro Zeiteinheit, steigt mit der Frequenz der Mühle (15-26 Hz) geliefert. Nehmen die typische Anzahl der Kugeln und die niedrigste Frequenz bestimmten 20 h lang, übersteigt die Gesamtzahl der Auswirkungen 1,5 Milliarden. Während diese Auswirkungen erfährt das Pulver wiederholten Bruch und Kaltverschweißen bis zu dem Punkt, wo die Bestandteile auf atomarer Ebene gemischt werden. Mikroskopisch wird durch lokalisierte Verformung in Form von scher Bands sowie eine hohe Dichte von Versetzungen und Punktdefekte die Mikrostruktur bricht diese Misch- und Verfeinerung der Mikrostruktur erleichtert. Schließlich, wie die Hitze der Kollision die lokale Temperatur erhöht, tritt Rekombination und Vernichtung dieser Fehler im Steady-State mit ihrer Generation. Mangels Strukturen schließlich, obwohl Reorganisation, Ergebnis bei der Bildung von kleineren und kleineren hohen Winkel gleichgerichtete Körner. So ist Ball Fräsen ein Prozess, der starken plastischen Verformung durch das Vorhandensein einer hohen Dichte von Mängeln manifestiert induziert. Dieser Prozess ermöglicht erhöhte Diffusionsvermögen von gelösten Elementen und der Verfeinerung und Dispersion von Sekundärphasen und die allgemeine Nanostrukturierung der Mikrostruktur.
Hochenergie-Kryomahlen ist ein Mahlprozess ähnlich hohe Energie Kugel Fräsen mit Ausnahme der Tatsache, dass das Fräsen Fläschchen bei kryogenen Temperaturen während des Fräsprozesses aufrechterhalten wird. Um eine gleichmäßige Temperatur in der Durchstechflasche zu erreichen, wurde die Mühle wie folgt geändert. Fräsen-Fläschchen wird zuerst in einer Teflon-Hülle gelegt, dann mit einer Teflon-Kappe versiegelt ist. Die Hülse ist mit einem Dewar, enthält die entsprechenden Kryogen (flüssiger Stickstoff (LN2) oder flüssiges Argon (LAr)) durch aus rostfreiem Stahl und Kunststoffschlauch verbunden. Die Kryogen fließt durch die Hülse während des Fräsvorganges abkühlen das Fräsen Fläschchen und pflegen das Fräsen Fläschchen bei der Siedetemperatur des Cryogen, z. B.-196 ° C für LN2 und-186 ° C für LAr. Die niedrigen Temperaturen der kryogenen Verarbeitung führen zu die erhöhte Fragmentierung duktileren Metalle, die sonst bei Raumtemperatur gefräst werden kann nicht. Darüber hinaus die kryogenen Temperaturen thermisch aktivierten Diffusionsprozess Prozesse wie Kornwachstum reduzieren und Phasentrennung, wodurch erhöhte Verfeinerung der Mikrostruktur und Löslichkeit von unlöslichen Elementspezies.
Die hochenergetische horizontal rotierenden Kugelmühle ist eine energiereiche Fräsen System, das eine horizontale Edelstahl-Fräsen-JAR-Datei mit einem High-Speed-Rotor mit mehreren Lamellen befestigt auf einer Antriebswelle besteht. Das Pulver zu fräsenden ist im Inneren der Dose zusammen mit dem Fräsen Kugeln übertragen. Bewegung der Kugeln und Pulver wird durch die Drehung der Welle im Inneren der Dose erreicht. Die Welle dreht sich mit hoher Geschwindigkeit und Fräsen Stahl Kugeln kollidieren, beschleunigen und ihre kinetische Energie auf das Pulver zu übertragen. Die Palette der u/min ist 100-1000 und die durchschnittliche Geschwindigkeit der Kugeln ist 14 m s-1. Vor allem Mühlen sind bedienbar über einer Strecke der Temperaturen (-30 ° C bis 200 ° C hoch) Fräsen ausgestattet und können unter Vakuum (mTorr) oder im Druckmodus (1500 Torr) (unter Verwendung verschiedener Deckel Gas) ausgeführt werden. Neben der Basiseinheit ist die Mühle mit Entlastung Trägereinheit Gas ausgestattet sowie Steckverbindungen, die das Be- und Entladen des Pulvers unter Inertgas Abdeckung ermöglicht. Dieses Gerät ist zusammen mit einem typischen 8 L Stahl Fräsen Jar (Abb. 2 b) in Abbildung 2A zu sehen. Neben der größeren Mühle hat ARL eine kleinere Mühle gekauft, die für die Ausführung unter flüssigem Stickstoff (Abbildung 2) umgewandelt wurde. Diese Mühle kann zwischen 100-400 g verarbeiteten Pulver pro laufendem Zyklus produzieren.
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Protocol
1. kleine Skala Synthese von nanokristallinen Pulver unter Umgebungsbedingungen
- In einer kontrollierten Argon Atmosphäre Handschuhfach legen 10 g das primäre Element (zB., Fe in FeNiZr-Legierung) und 100 g Edelstahl/Werkzeugstahl Kugeln in das gewünschte Fräsen Glas Fräsen.
Hinweis: Laden des Pulvers in Fräsen Glas in einem Handschuhfach ist erforderlich, um minimale Aufnahme in Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit Inhalt 18,19sicherzustellen. - Nach dem Laden verschließen Sie das Gefäß und entfernen Sie aus dem Handschuhfach. Stellen Sie nach der Entnahme sicher, dass Glas vollständig versiegelt ist und laden Sie in die entsprechende Fräsmaschine.
- Entnehmen Sie nach der Durchführung eines 1 h Fräsen Zyklus Fläschchen und übertragen ihn zurück in die Argon gefüllten Glove-Box.
Hinweis: Dieser Kurzfilm laufen dient zur Beschichtung von allen Oberflächen mit dem primären Element, und hilft so, den Transfer von Schadstoffen reduzieren von Fräsen Jar und Medien auf die Legierung hergestellt. - Um die Legierung Pulver zu synthetisieren, fügen Sie hinzu, insgesamt 10 g von elementarem Pulver in die gewünschten Verhältnisse nur beschichtete Fräsen Glas in das Handschuhfach. Fügen Sie die erforderliche Menge an nur beschichtet Fräsen Kugeln auf das Glas, so dass es ein 10:1 Quotient aus der Masse der Kugeln zu Masse von Pulver. Der Deckel sollte gelegt und gespannt auf das Fräsen Glas vor der Entnahme aus dem Handschuhfach. Nach dem entfernen sollte weitere Verschärfung des Deckels durchgeführt werden mit einem Schraubenschlüssel und einen Schraubstock.
- Legen Sie das Fläschchen in den hohe Energie-Shaker-Mühle und initiieren Fräsoperation (in der Regel auf 20 h). Nachdem die Bearbeitung abgeschlossen ist, entfernen Sie das Fläschchen und überträgt es auf das Handschuhfach. Vorsichtig den Deckel abnehmen und das gemahlene Pulver auf die gewünschte Probenfläschchen für Speicher übertragen.
Hinweis: Eine typische hochenergetische Shaker Mühle in mechanischen Legieren verwendet zeigt Abbildung 3A. Eine schematische Darstellung zeigt, wie hoch Energie Ergebnisse in nanokristalline Werkstoffe Fräsen zeigt Abbildung 3 b, mit einem Bild zeigen eine durchschnittliche Endkorngröße zwischen 10 und 500 µm, die in Abbildung 3dargestellt.
2. kleine Skala Synthese von nanokristallinen Pulver unter kryogenen Bedingungen
- Führen Sie Beschichtung für Fräsen von Glas und Kugeln wie 1.1-1.3 beschrieben ausführen aus.
- Füllen Sie in kontrollierter Atmosphäre Glove-Box beschichtete Glas mit der gewünschten Menge an elementarem Pulver mahlen und Fräsen Medien. Nach dem Anziehen des Glas, aus dem Handschuhfach entfernen.
- Legen Sie das Fräsen Glas in einem Teflon-Hülse und Kappe, die dann in die Klemme der hochenergetischen Shaker Mühle befindet.
- Öffnen Sie der Dewar, enthält der Cryogen und lassen Sie es für etwa 30 min um sicherzustellen, dass das Fräsen Glas die gewünschte Temperatur (-196 ° C für flüssigen Stickstoff und Flüssigargon-186 ° C) erreicht hat.
- Bei Gleichgewicht erreichen, initiieren der Mühlenbetrieb bis die gewünschte Dauer erreicht hat. Nach der Fertigstellung schließen die Dewar, sorgfältig entfernen das Fräsen Glas aus dem Ärmel und lege ihn vor einen Trockner, es auf Raumtemperatur zu bringen.
- Sobald das Fräsen Glas Raumtemperatur erreicht, übertragen Sie es wieder in kontrollierter Atmosphäre Handschuhfach. Vorsichtig öffnen Sie die Fräsen Glas und übertragen Sie das Pulver zu gewünschten Lagerung Fläschchen.
Hinweis: Ein Bild der hochenergetischen Shaker Mühle abgestimmt für den Einsatz bei kryogenen Temperaturen zeigt Abbildung 4A. Abbildung 4 b zeigt ein Fräsen Fläschchen sofort, nachdem es von einer Kryomahlen Operation entfernt wurde. Abbildung 4 bietet einen Überblick über die Anzahl der Kugeln, die in der Regel in einer Verarbeitung verwendet Fräsen.
(3) groß angelegte Synthese von nanokristallinen Pulver
- Laden Sie die erforderlichen elementare Legierungsmetall Pulver in ein Glas in einem Argon-Glove-Box, Siegel, und entfernen Sie.
- Nach dem Anfügen des Schiffes an die hochenergetischen horizontal rotierenden Kugelmühle, laden Sie ca. 1 kg 440C Edelstahl-Kugellager in Edelstahl 8 L Gefäß enthaltenen Kühlmantel.
Hinweis: Bilder der verschiedenen Teile der hochenergetischen horizontal rotierenden Kugelmühle sind in Abbildung 5dargestellt. - Schließen Sie die Argon-Gas-Pipeline und Kältemittelleitungen zum Schiff. Rücken-Füllung und Säuberung des Schiffes mit Argon-Gas, Luft zu entfernen.
- Mit einem doppelten Kugelhahn, übertragen Sie die Legierungsmetall elementare Pulver in das Gefäß Fräsen und schließen Sie dann das Ventil, um die Kammer zu versiegeln.
- Verbinden der Pulver-Extraktions-System mit dem Fräsen Schiff und dann zurück-Füllung und Säuberung der Absauganlage mit Argon-Gas, Luft zu entfernen.
- Start fließt Ethylenglykol bei-25 ° C durch den Außenmantel des Schiffes.
- Beginnen Sie der Mahlprozess für bis zu 1 kg von elementaren Pulvern für die gewünschte Zeit (in der Regel 12-30 h) mit Rotationsenergie von 400-800 u/min. Sobald die Bearbeitung abgeschlossen ist, übertragen Sie die Pulver auf ein Glas unter Argon-Atmosphäre. Speicher das Glas in einem Argon gefüllten Glove-Box.
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Representative Results
Ca. 10 g des Pulvers werden pro jeden Lauf in der Hochenergie-Shaker-Mühle produziert. Nach erfolgreichen Synthese neuartiger nanokristalline Metalle und Legierungen in Hochenergie-Shaker-Mühle ist skalieren in einer hochenergetischen horizontal rotierenden Kugelmühle durchgeführt.
In der Regel werden nanostrukturierte Pulver mit hochenergetischen Fräsen Prozesse, wobei die Korngröße der eine kleine Menge Pulver verfeinert wird, ca. 10 g pro Batch generiert. Das ist zufriedenstellend im Kleinmaßstab Proof-of-Concept. Es gibt jedoch ein Bedarf an größeren Fräsen Apparate, die das gleiche tun können aber größere Mengen produzieren. Erhebliche Mengen von Pulvern ermöglichen die Produktion von Bulk-Teile, die wiederum auf eine relevante Größenskala für spezifische Anwendungen Armee getestet werden können.
Auf einer kleinen 5-10 g-Skala kann die Energie zu einem groben Pulver mit relativer Leichtigkeit in eine kleine Forschung Labor Schüttler Mühle erreicht werden. Die translationale Energie vermittelt durch die Kugeln bewirkt den Abbau der Partikel in eine ultrafeine gekörnten Pulver Masse. Die Skalierung dieser Methodik von Gramm Größe Kilogramm (1000 g) Chargen mit sich bringt, die dimensionalen Skalierung der Fräsen Gläser und verbundenen Gerät, die was komplex ist, weil zur gleichen Zeit die vermittelte Energie ebenfalls skaliert werden muss. In diesem Zusammenhang kann die hochenergetische horizontal rotierenden Kugelmühle erstellen die einzigartige Nano-Maßstab Sub Strukturmerkmale (z. B.., kurz und Langstrecken-geordneten Strukturen, Punktdefekte, atomare Cluster, Stapelfehler, Ausscheidungen, Dispersionen, amorphe Funktionen) zu vermitteln, dass diese Materialien mit der dramatischen Verbesserung der Eigenschaften in einem akzeptablen Zeitrahmen mit minimalen Kontamination20,21.
In ein zwei-Element-Komponentensystem, Abbildung 6, Fräsen Prozessergebnisse in einer Reihe von wiederholten Auswirkungen, die die Pulverpartikel zu "kalt" Schweißnaht zusammen über plastische Verformung verursachen Bruch und dann während der gesamten Dauer des Fräs reweld. So, eine Vielzahl von final Mikrostrukturen sind möglich: (1) eine nanokristallinen Matrix mit Korngrenze getrennt Atome der sekundären Phase, (2) einer übersättigten Mischkristall der beiden Komponenten, (3) eine nanokristallinen Matrix mit Korngrenze Atome der Koexistenz mit einer übersättigten Mischkristall der zwei, 4 sekundäre Phase getrennt) ein nanostrukturierten Verbund aus zwei Phasen, 5) eine Super solide Lösung mit großen Dispersionen der zweiten Phase und 6 gesättigt) eine Kombination einschließlich aller oben. Im Allgemeinen ist jedoch die Mikrostruktur nanokristallinen mit einer durchschnittlichen Pulver Teilchengröße zwischen 10 und 500 µm (Abbildung 3). Es ist wichtig zu beachten, dass die Endkorngröße Fräsen Temperatur, Zeit, Energie und physikalischen Eigenschaften/Eigenschaften der einzelnen Bestandteile stark abhängt. Die mittlere Korngröße produziert in der Regel umgekehrt skaliert mit der Schmelztemperatur der Legierung aber hängt die Fräsen Voraussetzungen und den Umfang der Legierung hergestellt. Der typische mittlere Korngröße hergestellt durch hochenergetische Fräsen beträgt weniger als 50 nm. Die minimale Korngröße erreicht kann jedoch weniger als 5 nm oder sogar in einigen Fällen kann das amorphe Limit erreicht werden. Aufgrund der kleinen Korngröße gibt es eine bedeutende Volumenanteil von Korngrenzen und dreifach Knoten. Daher haben nanokristallinen Metallen und Legierungen körperliche Reaktionen auf Temperatur und Verformung verändert. Metalle sind Probleme im Zusammenhang mit thermischen Stabilität, der Verarbeitungstechniken sowie Anwendungen zu moderieren und manchmal tiefen Temperaturen begrenzt. Durch Manipulationen an der Schnittstelle zwischen den nanokristallinen Körnern durch Dotierung mit gelösten Stoffen können diese Hürden überwunden werden. Wie bereits erwähnt, kann der Dotierstoff Form von getrennten gelösten oder diskrete Teilchen oder eine Kombination davon nehmen und kann Halt Korn Wachstum auch bei sehr hohen Temperaturen, wodurch Vollkonsolidierung durch hohe Temperaturen ohne Qualitätsverlust Schmieden die vorteilhafte mechanische Eigenschaften.
Der erste Schritt bei der Charakterisierung der mechanisch legierte Pulver beobachtet die losen Puder-Morphologie mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM). Dieser Schritt wird durchgeführt, um festzustellen, ob die einzelnen Partikel komponieren das Pulver eine deutliche Veränderung in der Morphologie, z. B.von einem plattenartigen Morphologie auf kurze Fräszeiten zu mehr Kugelform nach längeren Fräszeiten zeigen. Als nächstes wird eine kleine Menge des Pulvers als gefräst bei 3 gedrückt GPa in grün 3 mm verdichtet, die anschließend in Epoxy montiert und poliert. Die Polieren Schritte genutzt sind Probe abhängig. Eine letzte Polierstufe von 1 µm oder feiner ist jedoch erforderlich, um die erforderliche Oberflächengüte für SEM Beobachtung zu erreichen. Durch Polieren der Kleinwagen auf den letzten Schliff von einem Mikrometer, können zurückgestreute Elektron Bilder aufgenommen werden, die die Verteilung der gelösten Elemente als Funktion der Zeit Fräsen zeigen. Bildgebung mit zurückgestreute Elektron ist das bevorzugte Verfahren, da der Kontrast auf Ordnungszahl basiert. Infolgedessen auftauchen Bereiche mit höheren Mengen von den schwereren Element in einer Legierung heller. Diese Bilder sowie x-ray Diffraction Daten bieten Einblick, betritt der gelöste Stoff vollständig in fester Lösung sowie die maximale Menge des gelösten Stoffes, die in fester Lösung umgesetzt werden kann.
Im Allgemeinen sind die einzelnen Körner zu fein, zu lösen, verwenden nur SEM Infolgedessen ist Transmission Electron Microscopy (TEM) erforderlich, um die einzelnen Körner in einem mechanisch legierte Pulver zu lösen. TEM Probenvorbereitung hängt davon ab, ob das legierte Pulver in einen dichten, Gesamtprobe oder nicht konsolidiert wurden. Wenn das Pulver nicht konsolidierten Gesamtprobe, dual Beam konzentriert Ionenstrahl (FIB) / Rasterelektronenmikroskop (REM) wird verwendet, um Lift-out- und dünne Lamelle der Probe auf Elektron Transparenz22. Die Lamelle kann genommen werden aus einem einzigen, lose Partikel oder aus einer polierten SEM (3mm kompakte) Probe wo der Querschnitt der einzelnen Teilchen ausgesetzt. Bei loser Schüttung Proben wird eine 3 mm Durchmesser Scheibe ausgestanzt mit einer Scheibe. Die 3 mm Scheibe wird dann bis zu ca. 100 µm gemahlen. Als nächstes wird ein Grübchen Grinder verwendet, um ein Grübchen in der Mitte der Disc zu erstellen. Im Idealfall ist die Dicke am unteren Rand das Grübchen weniger als 10 µm. Sobald die gewünschte Grübchen Tiefe erreicht ist, wird die Probe Ion gefräst bis Elektronen transparent.
Die TEM-Analyse erfolgt bei 200 keV unter Verwendung eines Mikroskops mit Scan-Elektronen-Mikroskop ((S) TEM) Übertragungsmöglichkeiten ausgestattet. Die Autoren haben standard TEM und Stamm-basierten bildgebendes Verfahren je nach die mikrostrukturelle Merkmale untersucht genutzt. Mit dieser sagte haben die Autoren Stamm Hellfeld und STEM-hoher Winkel ringförmigen dunklen Bereich (HAADF) als zwei extrem leistungsstarke Techniken gefunden. STEM Hellfeld wurde mit großem Erfolg auf die Bildgebung/Lösung Körner über große Flächen einer Probe wobei gleichzeitig das Vorhandensein von Partikeln/Cluster und Zwillinge genutzt. Der Kontrast in einem Stamm-HAADF-Bild generiert basiert auf Z-Kontrast, dh. Ordnungszahl der Elemente in einer Probe, die ist eine leistungsstarke Möglichkeit, Einblick in die relative Chemie unterschiedlicher mikrostrukturelle Merkmale vorhanden. Abbildung 7A ist ein STEM-Hellfeld-Bild eines Cu-10Ta (at.%) Probe gleich Kanals eckige extrudiert (ECAE) bei 900 ° C, so dass die Körner deutlich über etwa 1,5 µm-2 -Gebiet gelöst werden. Innerhalb dieses Bildes kann etwa fünfzig Körner für deren Korngröße gemessen werden. So erlaubt mehrere Aufnahmen der entsprechenden Vergrößerung für Getreide Größe Statistiken ermittelt werden und Histogramme erzeugt. Abbildung 7 b ist ein STEM-HAADF-Bild aus der gleichen Gegend der Probe genommen und unterscheidet deutlich die hohe Dichte der Ta Partikel sowie die breite Palette an ihrer Größe. Dieses Bild in einer ähnlichen Weise als das Hellfeld Bild, aber diesmal lässt sich messen Sie die Ta-Partikelgröße ermöglicht ein Histogramm, Hervorhebung der Partikelgrößenverteilung generiert werden. 7 Zahlen und Figuren 7 Stamm Hellfeld und HAADF Aufnahmen einer Cu-10Ta (at.%) Probe ECAE verarbeitet werden bei 700 ° C zeigt eine größere Ta-Teilchen (~ 40 nm Durchmesser) umgeben von zahlreichen anderen Ta Partikel Durchmesser von etwa 5 bis 20 nm. Die größeren Partikel Ta hat auch eine einzigartige mikrostrukturelle Funktion vorhanden mit einer teilweisen Shell bildete sich um die untere Hälfte.
Atom-Sonde Tomographie (APT) Analyse erfolgt dann um die wichtigsten Funktionen des Pulvers (Abb. 8A) besser zu verstehen. Abbildung 8 zeigt die zwei Anzeigen Ports für Proben aus dem staging Karussell zur Analyse Kammer manövrieren. Abbildung 8 zeigt die Last Sperre und Puffer der Kammer mit der Trennung der beiden Kammern in der Atom-Sondensystem Absperrschieber. Die Last-Sperre ist wo neue Samples geladen werden und alte Muster werden entfernt. Die Sperrkammer beherbergt Proben, die Prüfung in der Analyse-Kammer warten.
Bevor Atom Meßspitzen Proben in der Kammer platziert werden kann, die Tipps sind gehoben-auf vorgefertigte Si Post Out dann ringförmig gefrästen mit einem Dual beam SEM/FIB. Die Ionen-Spalte erfolgt in der Regel bei einem Strahlstrom von 30 keV während des gesamten Verfahrens und nur fiel auf 5 keV in der Endphase der Bereinigung, Ga Ionen-Implantation in die letzte Spitze vor der Ausführung der Analyse zu minimieren. Der Strahlstrom verwendet variiert stark abhängig von der Leichtigkeit, mit der die materiellen Mühlen. Die Autoren haben sowohl die Spannung als auch die Laser-Modus für die Ausführung von verschiedenen nanokristallinen basierende Materialsysteme genutzt. Spannungsmodus wird verwendet, wenn ein Exemplar ist in hohem Grade leitend und hat eine geringe Neigung zum Bruch während des laufenden, während Laser-Modus für nichtleitende Materialien und/oder diese Proben mit einem hohen Hang zum Bruch im Spannungsmodus eingesetzt wird. Die gesammelten Atom-Sonde-Daten werden dann analysiert mit Hilfe einer entsprechenden Software-Paket. Die Atom-Sonde wurde eingesetzt, um die hohe Dichte der Ta Partikel in Cu-10Ta 23, quantifizieren die Schlüssel für die hervorragenden Eigenschaften dieses Materials bei erhöhten Temperaturen 24sind. Darüber hinaus hat dieses Tool in der laufenden Forschung, WO2 Teilchen in galvanischen NiW-Legierung (Abbildung 9A) identifiziert. Abbildung 9 zeigt die Anwesenheit von Na Partikel innerhalb der Atom-Prüfspitze. Abbildung 9 zeigt die WO2 und Na Partikel zur gleichen Zeit. Abbildung 9 ist ein Massenspektrum für Ionen mit einer Masse, Zustand-Verhältnis von 0 bis 19 Dalton (Da) zu berechnen. Identifizierung und Quantifizierung der Segregation der WO2 und Na Partikel auf dieses Niveau ist nicht über jede andere Analysetechnik möglich. So Charakterisierung mittels SEM, TEM und APT sind unerlässlich in der Mikrostruktur vollständig zu verstehen und Mechanismen spielen in mechanisch legiertem nanokristallinen Pulver.
Sobald die thermische Stabilität und Festigkeit von nanoskaligen Pulvern voll gewürdigt wurden, zeigte sich, dass eine konventionelle Pulver Verarbeitungsmethode wie einachsigen Pressen und Sintern, während machbar, keine bevorzugte Methode war. Eine Methode, die angeboten, dass die Kombination aus Temperatur und einen angewandten Scherbeanspruchung nötig war, um vollständige Verdichtung des Pulvers zu gewährleisten verdichtet. Infolgedessen wurde die Verwendung der gleichen Kanal eckige Extrusion (ECAE) als eine Verarbeitungsmethode erforscht. Bei dieser Methode wird ein Billet - in Bar oder Platte Form - zu einem reinen Zustand der Scherung unterzogen, da es durch einen L-förmigen Kanal25,26,27extrudiert. Wie das Billet keine signifikante Veränderung in Dimensionen während der Extrusion erleben, kann es zu mehreren Durchläufen unterzogen werden, bis die gewünschte Menge der Scherung (und durch Verlängerung mikrostrukturellen Verfeinerung) vermittelt worden. Schließlich kann das Billet zwischen jedem Durchlauf um den gewünschten Grad der Textur erzeugen im letzten Teil gedreht werden. Dadurch ist es möglich, eine endgültige Extrudat mit einem deutlich verfeinert Mikrostruktur und die gewünschte Konsistenz zu erreichen. Ein Schaltplan und eine teilweise extrudierten Billet aufzeigt die dramatische Veränderung der Korngröße und Orientierung in der extrudierten Teil im Vergleich zu den nicht verarbeiteten Teil dargestellt in Abbildung 10A und 10 b Abbildung, bzw..
Die US Army Research Laboratory hat ECAE Verarbeitung in zahlreichen Bemühungen im letzten Jahrzehnt aktiv genutzt. Die Presse ist in der Lage Verarbeitung Knüppel mit einer Rate als 2,5 cm hoch s-1 unter eine maximale Belastung von 345 t, mit einer maximalen sterben Temperatur von 350 ° C (Abb. 11A). Proben, erfordern eine höhere Verarbeitungstemperatur sind in einem Kasten Ofen vorgewärmt angrenzend an den Rahmen. Nachdem das gewünschte vorheizen Regime abgeschlossen ist, die Probe rasch auf die Matrize übertragen wird und die Extrusion sofort gestartet. Die anfängliche ECAE drücken Fähigkeit konzentrierte sich auf rechteckigen Knüppel in der Größenordnung von 1,91 cm quadratisch × 22,8 cm lang (Abbildung 11 b). Upgrades im Fähigkeiten führte in 15 × 15 × 1 verarbeiten fortgesetzt. 27 cm3 sowie 30 × 30 × 2.5 cm3 Platten.
Für diese Diskussion mehr importieren, jedoch ist die Tatsache, dass ECAE routinemäßig verwendet wird, um eine Vielzahl von Pulvern, die nicht ohne weiteres von anderen konsolidiert Konsolidierung bedeutet 28,29,30. Der Ansatz bei ARL ist die gewünschte Menge als gemahlen Pulver in einen Hohlraum in einem Nickel Stab eingearbeitet eingeführt (zB., ein "Nickel kann"). Wie das Pulver in die Kavität eingebracht wird, ist es routinemäßig angezapft, um jede Füllung induzierte Porosität zu minimieren. Sobald die gewünschte Menge an Pulver hinzugefügt wird, die Öffnung angeschlossen ist und dann verschweißt geschlossen. Es ist wichtig zu beachten, dass die "Pulver Konserven" Prozess innerhalb einer Argon gefüllt-Glove-Box durchgeführt wird, um die Einführung von Sauerstoff zu minimieren. Bisher dabei verwendet wurde, um beide Cu-Ta "Dosen" vorbereiten und Oxide Dispersion gestärkt (ODS) FeNiZr Legierung Pulver, mit genauen Protokollen beschrieben.
Ab 2011, eine Reihe von nanokristallinen (zB., Cu-Ta, FeNiZr) Legierungen, die bemerkenswerte Getreide Wachstum Widerstand und thermische Stabilität gezeigt wurden entwickelt, um ARL12,18,19,31 ,32. Wie sich herausstellte, dass herkömmliche Presse und Sinter Verarbeitungsmethoden nicht geeignet waren, wurde ECAE das wichtigste Mittel für die Konsolidierung des kleiner Proben für die Prüfung geeignet. Als ein erster Schritt in der ECAE Verarbeitung wurden die Nickel-Dosen mit als gemahlen Pulver geladen in einem Box-Ofen mit reinen Ar Gas bei einer festgelegten Temperatur (z.B. 700 ° C) gespült equilibriert. Die äquilibriert Dosen wurden dann schnell aus dem Ofen, ließ sich in das ECAE-Werkzeug auf die gewünschte Temperatur vorgeheizt und extrudiert mit einer Extrusion-Rate von 25,5 mm s-1entfernt. Dieses Verfahren wurde viermal wiederholt, nach Strecke Bc (definiert im Laufe der 90°-Drehung in gleiche Richtung zwischen 33). Die vier aufeinander folgenden Extrusion Pässe führte zu einer Gesamtdehnung von ~ 450 %. Rasterelektronenmikroskopie angegeben, dass die Proben ohne Anzeichen von Porosität oder vorherige Partikel Grenzen voll konsolidiert wurden. Darüber hinaus Getreide Größenmessungen angedeutet keine nennenswerten Kornwachstum während der ECAE Verarbeitung aufgetreten.
Den letzten Verarbeitung Bemühungen konzentrierten sich auf Hochskalierung der Größe der Teile aus der FeNiZr nanokristalline Legierung Pulver hergestellt. Der erste Versuch einer upscaling verwendet heißen Isostatische Pressen (HIP). In diesem Versuch kann als gefräst FeNiZr Pulver in ungefähr 10 g lose in eine offene Aluminium geladen wurde befindet sich im Inneren ein inerter Atmosphäre Glovebox. Nach jeder Zugabe von Pulver, Pulver-Belastung in der Dose wurde komprimiert mit einer handbetätigten hydraulischen Presse bis ca. 50 kN Kraft. Vor der Versiegelung kann, war es in einem Ofen bei etwa 200 ° C für 24 h erhitzt. Eine Vakuumpumpe wurde angefügt, damit Feuchtigkeit im Inneren der Dose zu ziehen. Die Dose war dann geschweißt geschlossen (Abb. 12A) und in der Hüfte zentrale (Abbildung 12 b) für die Verarbeitung angeordnet. Heißen Isostatische Pressen wurde auf eine Reihe von Proben bei Temperaturen im Bereich von 600-1000 ° C und einem Druck von 207 MPa durchgeführt. Jedoch unabhängig von der Temperatur verwendet, angezeigt, alle Proben eine Maximaldichte von ~ 96 %.
Da Hüfte nicht in der Lage, vollständig Dichte Proben war, wurden weitere Anstrengungen durchgeführt mit einem konventionellen Strangpresse. Für diesen Ansatz wurden Aluminium-Dosen messen ca. 7,5 cm im Durchmesser von 11 cm in der Höhe mit Fe-Ni-Zr-Pulver in einer Weise ähnlich wie die kleinere Proben, die zuvor beschriebenen verpackt. Vor der eigentlichen Extrusion der Extrusion Kammer, Matrizenhalter und sterben auf Temperaturen im Bereich von 400 bis 450 ° c erhitzt Sobald das Billet eine Gleichgewichtstemperatur von 1000 ° C erreicht, wurde es schnell aus dem Ofen gezogen und in der Heizkammer des Extruders geladen. Nach dem Laden war bei ca. 1 cm s-1 mit Verhältnis von 2:1 und 3:1 das Billet extrudiert. Für Sicherheit und praktischen Gründen wurden die Knüppel nicht vollständig durch die Extrusion Matrize geschoben. Nach der Fertigstellung eines vollständigen Extrusion-Zyklus wurden die stirbt aus Matrizenhalter noch heiß und dann abkühlen lassen. Draht elektrische Entladung, die, den Bearbeitung (EDM) dann verwendet wurde, um weg von extrudierten Knüppel Stanzeisen. Die höhere Temperatur von 1000 ° C erlaubt für eine erfolgreiche Extrusion (Abbildung 12). Weitere Profile sind geplant, mit der Absicht Verarbeitungsparameter und Materialeigenschaften, basierend auf einer detaillierten Analyse auf die extrudierten Knüppel zu optimieren.
In dem Bemühen, entwickeln fortschrittliche Materialien, die in der Lage ist, treffen die Leistungsanforderungen diktiert einzigartige Betriebsumgebungen, US Army Research Laboratory erhebliche Mittel verschrieben hat, zur Schaffung einer nanokristallinen Forschungszentrum Metallen . Wie in diesem Bericht kurz beschrieben besteht das Labor aus eine Reihe von Geräten und Fachwissen für die Verarbeitung und Charakterisierung neuartiger Metallpulver, sowie die anschließende Konsolidierung und Performance Bewertung der Masse nanokristallinen Teile. Gegenwärtige Bemühungen in der Cu-Ta und FeNiZr Legierungen haben die Fähigkeit, erfolgreich Übergang von der kleinen Forschungsanstrengungen zu größeren Programmen ermöglicht haben, für die "Full-Scale" Tests dieser Materialien in einer Vielzahl von Bedingungen unter Beweis gestellt (zB., Anspannung, Müdigkeit, kriechen, Schock und ballistische Bewertung), die nicht zuvor leicht erreicht wurde. Zukünftige Bemühungen konzentrieren sich auf den Übergang dieser spannenden Materialien, eine Reihe von Komponenten, sowie die Weiterentwicklung des neuen Alu-Systeme.
Abbildung 1 : Pulver Verarbeitung Labs bei Army Research Lab (A) kleinen Synthese Lab für die Produktion von kleinen Serien (10 g) zur neuartigen Pulver verwendet. Wichtige Geräte im Labor enthalten sind hochenergetische Shaker Mühlen, die über einer Strecke der Temperaturen sowie spezielle Prüfgeräte zu betreiben. (B) groß angelegte Synthese-Labor in dem vielversprechenden Legierung Pulver in bis zu 1 kg Chargen gefertigt werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2 : Kritische Komponenten der hochenergetischen horizontale rotary Kugelmühle in großem Maßstab Synthese von nanokristallinen Pulvern verwendet. (A) Gas Entlastung Trägereinheit, (B) Vertreter 8 L Fräsen Gläser, (C) kleine hochenergetische horizontal rotierenden Kugelmühle. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 : Kleine Pulver Synthese unter Umgebungsbedingungen. (A) modifizierte hochenergetische Shaker Mühle die von-20 bis 24 ° C und bis zu 2200 auskommen Zyklen pro Minute. (B) schematische Darstellung der hochenergetischen Fräsvorgang Form Nano-strukturiert/nanokristallinen Pulvern. (C) resultierende Pulver (durchschnittliche Partikel Größe 40 µm d.h. ~-325 mesh) mit einem internen Korngröße von 10 nm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 : Kleine kryogenen Fräsen von nanokristallinen Pulvern. (A) geändert Hochenergie-Shaker-Mühle, die bei kryogenen Temperaturen arbeiten kann. (B) Fläschchen direkt nach Entnahme aus dem Kryomahlen. (C) Standard-Fläschchen mit der Anzahl der Lager in der Regel verwendet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5 : Hardware-Systeme verbunden mit großem Maßstab hochenergetische horizontal rotierenden Kugelmühle. (A) Bilder von der größeren Mühle. (B) High-Speed-Rotor mit mehreren Lamellen. (C) innere Oberfläche der Fräsen Jar. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6 : Schematische den Fräsprozess für zwei Element System. Wiederholte Zusammenstöße zwischen Mahlkörper und Pulver ergibt sich eine Reihe von daraus resultierenden Mikrostrukturen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7 : Repräsentative mikrostrukturelle Merkmale durch hochauflösende Elektronenmikroskopie erhalten. (A) Stamm Hellfeld und (B) Stamm-HAADF-Aufnahmen aus der gleichen Gegend der Cu-10Ta (at.%) Probe ECAE bei 900 ° C verarbeitet; C) Stamm Hellfeld und D) Stamm-HAADF-Aufnahmen aus der gleichen Gegend einer Cu-10Ta (at.%) Probe ECAE bei 700 ° C verarbeitet. Stamm-basierten Techniken sind entscheidend für die Aufklärung der mikrostrukturellen Funktionen für die hervorragenden mechanischen Eigenschaften in CuTa Legierungen sowie andere nanokristallinen Pulvermaterialien Basis vorhanden gewesen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8 : Atom-Sonde-Tomographie ist ein wertvolles Instrument bei der Analyse von verschiedenen Pulvern hergestellt bei ARL. (A) die volle Atom-Tomographie-Sondensystem. (B) vergrößerte Bild zeigt die beiden Ports anzeigen auf die Sperrkammer. (C) eine Nahaufnahme von der Last Schloss und Puffer-Kammer. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 9 : Repräsentative elementare Karten während Atom-Sonde-Tomographie erhalten. (A) 3D Atom Karte anzeigen nur W (rote Kugeln) und WO2 (blaue Kreise) Atome; (B) 3D Atom Karte anzeigen nur W (rote Kugeln) und Na (grüne Kügelchen) Atome; (C) 3D Atom Karte anzeigen nur W (rote Kugeln), WO2 (blaue Kreise) und Na (grüne Kügelchen) Atome; (D) Massenspektrum zeigt das Verhältnis der Masse-Ladezustand von 0 19 da, die niedriger Ordnungszahl Elemente sind die am schwierigsten zu identifizieren und zu quantifizieren, mit anderen Analysetechniken. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 10 : Gleicher Kanal eckige Extrusion hat erfolgreich eingesetzt, um vollständig dichten Zylinder aus der legierte Pulver produzieren. (A) schematische Darstellung der ECAE-Prozess zeigt, wie Kornfeinung tritt als das Material durchläuft der 90° Biegung in der Matrize. (B) optische Schliffbild einer teilweise ECAE verarbeitet Probe zeigt Änderungen in Kornstruktur. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 11 : Equal Channel Angular Extrusion Presse derzeit auf dem Platz am Army Research Lab (A) in ihrer aktuellen Konfiguration ist die ECAE Presse 19 × 19 × 228 mm3 quadratische Karten verarbeiten kann. Die Presse hat auch die Fähigkeit, 152 × 152 × 12 verarbeiten. 7 und 304 × 304 × 25.4 mm3 Platten. (B) schließen im Foto zeigt, wie das Billet in die Oberseite des Würfels eingeführt wird. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 12 : Heiße Isostatische Pressen und Extrudieren sind zwei Methoden, die häufig verwendet, um Mischproben ab Pulver zu konsolidieren. (A) versiegelt Hüfte können zum Einfügen in (B) HIP Einheit bereit. (C) teilweise extrudierten FeNiZr Knüppel. Die Probe auf der linken Seite ist eine 1:3 Verhältnis Extrusion während die Knüppel in der Mitte und rechts sind eine 1:2 Verhältnis Extrusion.
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Discussion
Im Vergleich zu anderen Synthesetechniken, mechanischen legieren ist eine extrem vielseitige Methode für die Herstellung von Metall- und legierte Pulver mit Korngrößen << 100 nm. Mechanischen legieren ist einer der wenigen Möglichkeiten, welche große Mengen an nanostrukturierten Materialien leicht skalierbar und kostengünstig produziert werden können. Energiereiche Kugel Fräsen ist darüber hinaus nachweislich erheblich die Grenze der feste Löslichkeit in vielen metallischen Systemen erhöhen Gleichgewicht Raumtemperatur Löslichkeit in der ansonsten nicht vorhanden ist. Dies ermöglicht neue Arten von Legierungen hergestellt werden, die nicht mit anderen Verarbeitungstechniken Gleichgewicht möglich ist.
Obwohl nicht unbedingt erforderlich, die richtige Vorbereitung der Mahlkörper (zB., Beschichtung läuft) wird dringend empfohlen, um die Menge der Verunreinigungen in das endgültige Pulver eingeführt zu minimieren. Ebenso sollten Handhabung des Pulvers, entweder vor oder nach dem Fräsen, in einer kontrollierten Atmosphäre Glove-Box durchgeführt werden, um Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit Kontamination minimieren. Zu guter Letzt sollte Sorgfalt und Vorsicht verwendet werden, bei der Eröffnung der Fräs-Fläschchen nach einem Prozess ausgeführt werden, wie das Fläschchen potenziell beim Fräsen von Pulvern unter bestimmten Betriebsbedingungen unter Druck gesetzt werden kann.
Änderungen an der Raumtemperatur Fräsen von Pulvern ist oft erforderlich, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Zum Beispiel wird Kryomahlen verwendet, um die Duktilität für ausgewählte Pulver um sicherzustellen, dass die Partikel beim Fräsen abgebaut werden. Alternativ einsetzbar ein Prozess-Control-Agent wie Stearinsäure auch Partikel Agglomeration beim Fräsen zu reduzieren. Die Verwendung dieser Methoden wird auf eine von Fall zu Fall bestimmt.
Obwohl mechanischen legieren eine tragfähige Prozess für die meisten Metallpulver, gibt es einige Fälle, wo seine Verwendung problematisch ist. Insbesondere erfordert die mechanischen legieren den Transfer- und mischen und/oder Vermischung der Elemente oder Verbindungen, der, die Grad der durch Fräsen Energie sowie Fräszeit und der Unterschied in den physikalischen Eigenschaften wie Härte stark beeinflusst ist, Duktilität und relativen Löslichkeit der Komponenten. Fräsen von Energie ist ein Parameter, der in einer Größenordnung oder so geändert werden kann, sondern darüber hinaus, das ist eine relativ feste Menge und somit den Grad, Verbindungen oder Feststoffe in jedem gegebenen Experiment gebildet werden können, kann begrenzt werden, basierend auf physikalischen und thermodynamischen Parameter für die mechanischen Eigenschaften und die Löslichkeit. Verlängerung Fräszeit um weitere Verbesserungen zu erzielen oder mischen Orte praktische Kosten beschränkt auf die Herstellung von Pulver und gegen die Leistungskosten Kompromiss ausgewertet werden muss. Darüber hinaus führte erhöhte Fräsen können Zeiten zu erhöhte Verschmutzung durch Interaktion der Pulver mit der Mahlkörper oder Atmosphäre. Höheres Maß an Verschmutzung können dramatisch verändern, physikalischen Eigenschaften und die Leistung des Pulvers und oder konsolidierten teilen.
Dieser Bericht hat die Verwendung von mechanischen legieren für die Herstellung von nanokristallinen Metallpulver geeignet für Forschung und Industrie Studien detailliert. Wie das volle Potenzial dieser Materialien durch Untersuchungen der Mischproben und/oder Komponenten erkannt wird, sind sie wahrscheinlich weit verbreiteten Einsatz in den unterschiedlichsten Industriezweigen zu finden (zB., Luft-und Raumfahrt, Automobilbau, Verteidigung, Elektronik, etc..).
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Copper powder | Alfa Aesar | 42623 | Spherical, -100+325 mesh, 99.9% |
| Tantalum powder | Alfa Aesar | 10345 | 99.97%, -325 mesh |
| Iron powder | Alfa Aesar | 00170 | Spherical, <10 micron, 99.9+% |
| Nickel powder | Alfa Aesar | 43214 | -325 mesh, 99.8% |
| Zirconium powder | American Elements | ZR-M-03-P | 99.90% |
| SPEX mills (high energy shaker mills) | SPEX SamplePrep | 8000M | |
| Zoz mills (high energy horizontal rotary ball mill) | Zoz GmbH | CM01 (small mill) CM08 (large mill) | |
| Focused Ion Beam | FEI | Nova600i Nanolab dual beam FIB/SEM | |
| Scanning Electron Microscope | FEI | Nova600i Nanolab dual beam FIB/SEM | |
| Precision Ion Polishing System | Gatan | Model 695 | |
| Transmission Electron Microscope | JEOL | 2100F | multipurpose field emission TEM |
| Atom Probe Tomography | CAMECA | LEAP 5000XR | |
| Equal Channel Angular Extrusion | ShearForm | custom built | |
| Hot Isostatic Press | Matsys |
References
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