Summary
Fonte: Sina Shahbazmohamadi e Peiman Shahbeigi-Roodposhti, Scuola di Ingegneria, Università del Connecticut, Storrs, CT
Le leghe con granulometria inferiore a 100 nm sono conosciute come leghe di nanocristallina. A causa delle loro proprietà fisiche e meccaniche migliorate, c'è una domanda sempre crescente di impiegarli in vari settori come semiconduttori, biosensori e aerospaziale.
Per migliorare la lavorazione e l'applicazione delle leghe nanocristalline, è necessario sviluppare materiali sfusi densi quasi al 100% che richiedono un effetto sinergico di temperatura e pressione elevate. Aumentando la temperatura e la pressione applicate, i piccoli grani iniziano a crescere e perdono le loro proprietà distinte. Pertanto, è tecnologicamente importante raggiungere un compromesso tra il legame interparticellare con porosità minima e la perdita di granulometria su scala nanometrica durante il consolidamento a temperature elevate.
In questo studio miriamo ad eliminare l'ossigeno dalla soluzione solida per migliorare la stabilità delle dimensioni nano-granulometriche a temperature elevate. La lega nanocristallina Fe-14Cr-4Hf sarà sintetizzata in un ambiente protetto per evitare la formazione di particelle di ossido.
Overview
Fonte: Sina Shahbazmohamadi e Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, School of Engineering, Università del Connecticut, Storrs, CT
Le leghe con granulometria inferiore a 100 nm sono conosciute come leghe di nanocristallina. A causa delle loro proprietà fisiche e meccaniche migliorate, c'è una domanda sempre crescente di impiegarli in vari settori come semiconduttori, biosensori e aerospaziale.
Per migliorare la lavorazione e l'applicazione delle leghe nanocristalline, è necessario sviluppare materiali sfusi densi quasi al 100% che richiedono un effetto sinergico di temperatura e pressione elevate. Aumentando la temperatura e la pressione applicate, i piccoli grani iniziano a crescere e perdono le loro proprietà distinte. Pertanto, è tecnologicamente importante raggiungere un compromesso tra il legame interparticellare con porosità minima e la perdita di granulometria su scala nanometrica durante il consolidamento a temperature elevate.
In questo studio miriamo ad eliminare l'ossigeno dalla soluzione solida per migliorare la stabilità delle dimensioni nano-granulometriche a temperature elevate. La lega nanocristallina Fe-14Cr-4Hf sarà sintetizzata in un ambiente protetto per evitare la formazione di particelle di ossido.
Principles
I confini del grano hanno un'energia libera di Gibbs relativamente alta. Pertanto, l'energia libera totale di Gibbs nei nanomateriali, a causa dell'avere un grande volume di bordi di grano, è relativamente alta. L'elevata energia libera di Gibbs rende il materiale instabile, specialmente a temperature elevate. Aumentando la temperatura, i grani instabili crescono facilmente e i materiali perdono le loro proprietà meccaniche (ad esempio resistenza, duttilità, ecc.). Ciò significa che diminuendo la granulometria, l'intero materiale va ben oltre la condizione di equilibrio portando a proprietà termodinamiche alterate, che diminuiscono la stabilità dei grani soprattutto a temperature elevate. In altre parole, ogni materiale deve essere termodinamicamente stabile. L'uso di tecniche meccaniche per cambiare i materiali regolari in nanomateriali altera le loro proprietà termodinamiche. Significa che non sono più stabili e preferiscono tornare al loro stato originale. L'aumento della temperatura aiuta questo evento più facilmente. Pertanto, i nanomateriali di nuova concezione devono essere stabilizzati ad alta temperatura.
Per analizzare la granulometria, l'equazione di Scherrer (Equ. 1) può essere utilizzata in combinazione con i dati di diffrazione a raggi X. Dopo il trattamento termico (ad ogni temperatura) i campioni verranno analizzati dalla macchina XRD per ottenere i picchi rilevanti. L'equazione di Scherrer mette in relazione la dimensione dei nanograni con l'allargamento di un picco in un modello di diffrazione.
D=K λ / (β cosθ) (1)
dove D è la dimensione nanocereale, K è il fattore di forma (~1), β è la linea che si allarga alla metà massima intensità (FWHM) dopo aver sottratto l'allargamento della linea strumentale, in radianti. λ è la lunghezza d'onda dei raggi X e θ è l'angolo di Bragg in grado.
Recenti studi su materiali nanocristallini rivelano che la segregazione degli elementi di lega ai confini del grano migliora la stabilità granulometrica. Tutte le gamme di segregazione, dalle leghe fortemente segregate nel sistema Ni-P alla debolmente segregate in Ni-W, possono sviluppare stabilità termodinamica.
In questo studio, viene introdotto un soluto stabilizzatore di non equilibrio (Hafnium (Hf)) tale che quando si segrega ai confini del grano a temperature elevate, l'energia libera di Gibbs diminuisce e uno stato di equilibrio metastabile può risultare con materiali nanocristallini.
Il meccanismo termodinamico di stabilità granulometrica può migliorare mediante l'eliminazione dell'ossigeno dalla soluzione solida. L'eliminazione dell'ossigeno impedisce la formazione di particelle di ossido nel materiale, portando a più soluto che rimane nella soluzione solida che può segregarsi ai confini del grano. Aumentando la quantità di contenuto di soluto nei bordi del grano, raggiunge un valore di saturazione che porta alla stabilità della granulometria.
La diminuzione di energia libera per la formazione di ossido di HfO2 è di circa un ordine di grandezza maggiore della diminuzione di energia libera per la segregazione del confine del grano Hf. Eliminando O dalla matrice (e aumentando la segregazione del soluto ai confini del grano) la mobilità del limite del grano diminuisce rispetto all'alto contenuto di O.
La lega nanocristallina Fe14Cr4Hf nominalmente priva di ossigeno (OF) è stata prodotta in un vano portaoggetti archiviando meccanicamente il materiale solido. Questa lega è stata scelta perché i recenti modelli di soluzione regolare prevedono che l'Hf faciliterebbe la stabilizzazione termodinamica delle granulometrie nelle leghe Fe14Cr4Hf a temperature elevate.
Questo studio è limitato alle leghe che hanno soluto/ stabilizzatore con elevata entalpia di formazione di ossido. In caso contrario, l'eliminazione dell'ossigeno potrebbe non avere alcuna influenza significativa sulla stabilità granulometria.
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Procedure
- Archiviare i materiali sfusi ad alto contenuto di ossigeno a bassa purezza (bersagli Fe, Cr e Hf) nel vano portaoggetti utilizzando una limatura meccanica alternativa al fine di ridurre al minimo la contaminazione da ossigeno nelle polveri di partenza.
- Caricare la miscela di polveri per una lega specifica (Fe14Cr4Hf wt.% in questo studio) in una fiala di acciaio inossidabile insieme a sfere di fresatura in acciaio inossidabile 440C (Fig. 1). I diametri delle sfere di fresatura sono 6,4 e 7,9 mm e il rapporto polvere-peso della sfera è di 10:1. Il flaconcino sigillato deve essere conservato in atmosfera protettiva nel vano portaoggetti.
- Eseguire la fresatura a sfere ad alta energia per 20 ore utilizzando i mulini a sfere ad alta energia SPEX 8000M (Fig. 2).
- Ricottura della sfera fresata Fe14Cr4Hf per 60 min a temperature comprese tra 500°C e 1200°C, a passi di 100°C.
- Misurare la dimensione del nanocerale, usando il diffrattometro a raggi X e l'equazione di Scherrer. Le analisi devono essere eseguite per i campioni macinati e ricotti. La granulometria può essere calcolata assumendo profili di picco lorentziano per i quattro picchi più intensi dopo aver sottratto l'allargamento strumentale. Per questo di seguito è necessario seguire i passaggi seguenti:
- Eseguire XRD sui campioni trattati termicamente.
- Misurare la larghezza dei picchi a metà altezza massima.
- Inserisci i dati nell'equazione 1 e calcola la dimensione del grano.
- Questi passaggi dovrebbero essere ripetuti per tutte le temperature.
- Eseguire più trattamenti di ricottura e analisi a raggi X a ciascuna delle temperature di ricottura di interesse al fine di stabilire una granulometria accurata e garantire la riproducibilità.
- Impiegare uno stampo da 5 mm e punzonare con pressa idraulica (3 tonnellate) per pressare la polvere per l'analisi microscopica.
- Caricare il campione nel microscopio elettronico a trasmissione (TEM) per vedere la dimensione del grano e le formazioni di nanoparticelle.
- Confronta le granulometrie, risultate dal microscopio TEM e dalla diffrazione a raggi X con polvere simile con contaminazione da ossigeno.
Figura 1: Flaconcino in acciaio inossidabile con due diverse dimensioni di sfere.
Figura 2: Fresatura a sfere SPEX 8000M ad alta energia.
Le leghe nanocristalline sono molto richieste in settori come i semiconduttori, i biosensori e l'aerospaziale grazie alle loro proprietà fisiche e meccaniche migliorate. Le leghe con granulometria inferiore a 100 nanometri sono conosciute come leghe nanocristalline.
Per produrre parti industriali con queste leghe, le polveri nanocristalline vengono lavorate utilizzando temperature e pressioni elevate combinate per sviluppare materiali sfusi densi quasi al 100%. Le nanocerie tuttavia iniziano a crescere ad alte temperature causando la perdita delle proprietà migliorate del materiale. Per combattere questo problema, il legame interparticellare ad alta densità con porosità minima deve essere ottenuto ad alta temperatura riducendo al minimo la perdita di granulometria su scala nanometrica.
Questo video rivela un nuovo approccio per migliorare la stabilità delle dimensioni nanocereale della lega Fe14Cr4Hf a temperature elevate.
I nanomateriali tendono ad essere instabili causando un aumento delle dimensioni dei grani a temperature elevate. Ciò comporta che il materiale perda le proprietà meccaniche superiori. L'instabilità dei nano materiali è il risultato di due fattori che fanno sì che il materiale vada ben oltre una condizione di equilibrio. Sia la granulometria che la lavorazione meccanica portano a queste proprietà termodinamiche alterate. I grani più piccoli nei nano materiali hanno più limite di grano per volume rispetto ai grani più grandi e quindi un'energia libera di gibbs più elevata.
Le tecniche di lega meccanica utilizzate per produrre questi materiali aumentano anche l'energia disponibile per guidare la crescita del grano. L'instabilità termodinamica causata da questi fattori guida il movimento dei bordi dei cereali, specialmente a temperature elevate, causando la crescita dei cereali. Per essere utili devono essere sviluppati nano materiali stabili ad alta temperatura. Un modo per stabilizzare la granulometria è introdurre elementi di lega ed eliminare l'ossigeno dalla soluzione solida. Quando l'ossigeno è presente, gli elementi di lega formano ossidi all'interno dei grani impedendo a tutti gli elementi di lega di raggiungere i confini del grano. Eliminando l'ossigeno, gli elementi sono liberi di segregarsi ai confini dei grani stabilizzando le dimensioni dei nanoceri.
Gli studi hanno dimostrato che se un soluto stabilizzatore non equilibrio come l'afnio viene introdotto in una lega di ferro dieci cromo nanocristallino, si segrega ai confini del grano a temperature elevate. Ciò diminuisce l'energia libera di gibbs dei confini del grano con conseguente stato di equilibrio metastabile e quindi materiali nanocristallini più stabili. È stato scoperto che l'eliminazione dell'ossigeno migliora ulteriormente questa stabilizzazione.
Per confrontare la stabilità delle dimensioni dei nanoceri a diverse temperature, i campioni vengono trattati termicamente in un intervallo di temperature. La granulometria viene quindi analizzata utilizzando immagini al microscopio elettronico a trasmissione e diffrazione a raggi X. L'equazione di Scherrer viene utilizzata per calcolare la granulometria in base ai risultati della diffrazione a raggi X. Usando questa equazione la dimensione dei nanoceri è correlata all'allargamento di un picco nel modello di diffrazione.
Ora che hai compreso i principi alla base della stabilizzazione dei materiali nanocristallini, vediamo come questo metodo viene applicato in laboratorio.
Utilizzare materiali sfusi ad alto contenuto di ossigeno ad alta purezza ferro, cromo e afnio racchiusi in un vano portaoggetti per ridurre al minimo la contaminazione da ossigeno. Caricare 6,4 e 7,9 mm 440c sfere di fresatura in acciaio inossidabile e polvere in una fiala di acciaio inossidabile creando un rapporto peso sfera-polvere di dieci a uno. Il flaconcino sigillato deve essere conservato in atmosfera protettiva nel vano portaoggetti.
Trasferire il flaconcino alla fresatrice a sfere ad alta energia. Eseguire la fresatura a sfere per 20 ore. Riportare il flaconcino al vano portaoggetti e trasferire la polvere macinata in un piccolo flaconcino di vetro. Sigillare il flaconcino di vetro per la ricottura. Ricottura la palla fresata Fe14Cr4Hf per 60 minuti a temperature comprese tra 500 e 1200 gradi Celsius a passi di 100 gradi Celsius. Eseguire l'analisi XRD di più campioni da ciascuna temperatura di ricottura e campioni del materiale fresato. Impiegare un colorante e un punzone da cinque millimetri con pressa idraulica per premere la polvere per l'analisi microscopica.
Ora che apprezzi l'importanza dei nanocristalli che mantengono la loro granulometria ad alta temperatura, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni in cui possono essere utilizzati. La vita degli aerei può essere aumentata utilizzando materiali nanocristallini. Il miglioramento della durata a fatica, della resistenza e delle temperature operative più elevate porta ad un aumento significativo della velocità dell'aeromobile e dell'efficienza del carburante.
Questi materiali sono anche candidati perfetti per i componenti del veicolo spaziale che devono funzionare a temperature più elevate. Ad esempio, gli accenditori a bordo su satelliti sviluppati con materiali convenzionali possono consumarsi rapidamente senza possibilità di riparazione. Mentre i nano materiali dureranno più a lungo prolungando la vita della missione.
Hai appena visto l'introduzione di Jove alla stabilità dei nanocristalli. Ora dovresti capire la necessità di mantenere la dimensione del grano a temperatura elevata, i modi in cui viene realizzato e come viene misurata la dimensione del grano.
Grazie per l'attenzione.
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Results
La Fig. 3 mostra i dati XRD per OF-Fe14Cr4Hf fresato a sfere ricotto per un'ora a 900°C. C'è un'affilatura dei picchi insieme a lievi spostamenti di picco. È dovuto al rilassamento della tensione del reticolo all'aumentare della temperatura di ricottura. Quando la temperatura di ricottura aumenta, vengono rivelati diversi piccoli picchi tra i quattro principali picchi BCC. Questi indicherebbero la formazione di fasi secondarie.
La Fig. 4a-c mostra immagini TEM e pattern di diffrazione per OF-Fe14Cr4Hf ricotto per 1 ora a 900°C. Sono presenti particelle su scala nanometrica in un intervallo di dimensioni fino a circa 20 nm.
Figura 3: Modelli XRD per OF-Fe14Cr4Hf ricotto per un'ora a 900°C.
Figura 4: Immagini TEM e modello di diffrazione per OF-Fe14Cr4Hf ricotto a 900°C per 60 min.
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Applications and Summary
L'esperimento dimostra come la stabilità delle dimensioni nanogranate dei materiali nanocristallini nominalmente privi di ossigeno possa migliorare rispetto alle leghe con una quantità significativa di ossigeno. In questo studio le polveri OF sintetizzate in atmosfera protetta per minimizzare l'interazione tra ossigeno e soluzione solida portano ad aumentare la segregazione degli elementi di lega ai bordi dei grani e a migliorare la stabilità termodinamica delle granulometrie. Il microscopio TEM si è presentato come uno strumento economico, che consente di risparmiare tempo e potenti per caratterizzare i bordi dei grani e le nanoparticelle.
La resistenza alla fatica e la resistenza allo scorrimento sono le proprietà chiave richieste per i componenti dell'aeromobile che possono avere un'influenza diretta sul tempo di vita dell'aeromobile. Per aumentare la vita degli aeromobili è di fondamentale importanza impiegare materiali con elevata resistenza/resistenza alla fatica/scorrimento, ottenibile principalmente grazie ad una riduzione delle granulometrie. I nanomateriali stabili ad alta temperatura, con granulometrie inferiori a 10^-7 m, possono fornire una durata a fatica tre volte superiore rispetto ai materiali convenzionali. Inoltre, questa nuova generazione di materiali nanocristallini è più forte e in grado di operare a temperature relativamente elevate, portando a un significativo aumento della velocità degli aeromobili e dell'efficienza del carburante.
I materiali nanocristallini stabili alle alte temperature sono candidati perfetti anche per le astronavi. Varie parti delle astronavi (ad esempio motori a razzo, propulsori e ugelli vettoriali) funzionano a temperature più elevate rispetto agli aerei.
I satelliti, con doppie applicazioni civili e di difesa, sono anche un obiettivo ragionevole per nanomateriali stabili ad alta temperatura. I razzi propulsori che utilizzano il satellite per cambiare le loro orbite, hanno bisogno di nanomateriali che potrebbero tollerare temperature elevate. Gli accenditori a bordo, sviluppati con materiali convenzionali, possono consumarsi rapidamente e perdere la loro efficienza, mentre i nanomateriali proposti durano più a lungo.
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