Verwerking van Bulk Nanocrystalline metalen bij de US Army Research Laboratory

Nanocrystalline metalen voorbereid door hoge energie mechanische legering is gebleken om superieure mechanische sterkte ten opzichte van hun tegenhangers grofkorrelige tentoon te stellen. Echter, zoals gedicteerd door thermodynamische beginselen, nanocrystalline microstructuren gelden graan ruw maken bij verhoogde temperaturen. Als zodanig, is verwerking en toepassingen van deze materialen momenteel beperkt door het vermogen te creëren van gestabiliseerde microstructuren in bulk vorm. Gezien het potentieel van deze materialen, zijn twee primaire methoden wordt nagestreefd in een poging om dergelijke systemen te ontwikkelen. De eerste, gebaseerd op een kinetische benadering, maakt gebruik van verschillende mechanismen toe te passen een vastmaken kracht op de grenzen van de korrel (GBs) om te voorkomen dat graan groei. Typische mechanismen werkzaam tot en met pin die de GBs secundaire fasen zijn (Zener vastzetten)^1,2,3 en/of opgeloste stof Sleep effecten^4,5. De tweede methode, gebaseerd op een benadering van de thermodynamica, onderdrukt graan groei doordat de vrije energie van het GB door middel van opgeloste atomen verdeling naar de GBs^{6,7,8,9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}.

Als de eerste stap naar het ontwikkelen van met een nanograined microstructuur legeringen, is het fundamentele inzicht in thermodynamische en kinetische beginselen die gelden voor graan groei en microstructurele stabiliteit bij hoge temperaturen opgericht. Computationele materiaalkunde werd ook gebruikt voor het begeleiden van de ontwikkeling van de legering. Met deze inzichten, werden kleinschalige veel verschillende legering poeders geproduceerd met behulp van energierijke frezen en geëvalueerd voor een breed scala van fysische en mechanische eigenschappen. Voor de meer belovende systemen, werden geavanceerde karakterisering technieken ontwikkeld om volledig de microstructuur van het poeder te koppelen aan de waargenomen eigenschappen en prestaties.

Tegelijkertijd, werd de infrastructuur en de uitrusting die nodig is voor de productie van de bulk componenten uit de nanocrystalline poeders overgenomen. Zodra deze apparatuur op zijn plaats was, werd de wetenschap van de verwerking moet volledig consolideren stortgoederen uit de legering poeders ontwikkeld door middel van een aantal kleinschalige experimenten. Zodra bulk exemplaren beschikbaar waren, werden een reeks experimenten uitgevoerd om te begrijpen van de mechanische reactie van deze materialen onder een brede waaier van voorwaarden (zoals vermoeidheid, kruip, hoge stam tarief, enz.). De kennis die is opgedaan met deze experimenten is gebruikt om de eventuele toepassing ruimten waarmee de commercialisering van de gestabiliseerde bulk nanocrystalline legeringen zal ontwikkelen.

Collectief, heeft voldoen aan deze taken geleid tot de ontwikkeling binnen de US Army Research Laboratory (ARL) van een nanocrystalline metalen research center, bestaande uit 4 belangrijkste labs. Dit laboratorium complexe vertegenwoordigt een totale investering van 20 miljoen USD en is uniek in die zin dat het omvat aspecten van de productie, fundamentele en toegepaste wetenschap. Het primaire doel van deze laboratoria is overgang proof-of-concept ideeën aan de piloot-schaal en vooraf productiegerelateerde niveaus. Daarbij verwacht wordt dat de labs zal inschakelen van de productie van prototype delen, ontwikkelen de nodige know-how en productie van wetenschap voor schaal-up verwerking, en voor verbanden intern alsook over externe onderzoeksinstituten of industriële partners via de commercialisering en de overgang van deze geavanceerde poedertechnologie.

Zoals eerder aangegeven, wordt de eerste stap is het identificeren, te produceren en te snel beoordelen nieuwe prototypes van de legering voor beide haalbaarheid van synthese en fabricage in prototype delen. Om dit te bereiken, zijn verscheidene unieke, op maat ontworpen hoge energie shaker molens aangelegd met de mogelijkheid voor het verwerken van poeders over een brede waaier van temperaturen van 196 ° c. tot 200 ° C. Zoals de naam al impliceert, deze fabrieken produceren ongeveer 10-20 g fijn poeder door het gewelddadig schudden optreden waardoor repetitieve effecten tussen poeder en slijpen van media om te produceren poeders waarin elk deeltje een compositie in verhouding staan tot heeft de het starten van elementaire poeder mix. Terwijl geschikt voor het snelle screening van poeders, molens van dit type zijn duidelijk niet geschikt voor de productie van het poeder op de (nabije) industriële schaal (bijv., kilogram).

Gelet op de noodzaak om het poeder in grote hoeveelheden produceren en in als continue een proces mogelijk, een zoekopdracht werd ondernomen om potentieel levensvatbare methoden en uitrusting te identificeren. Planetaire bal molens een steun schijf die in de tegenovergestelde richting van de verticaal georiënteerde flesjes draait, wat resulteert in deeltje grootte-vermindering toe te schrijven aan zowel slijpen en botsingen veroorzaakt door de centrifugale krachten gebruiken. Veel formaten voor de meeste planetaire molens bereik tot ongeveer 2 kg. In tegenstelling tot conventionele molens, molens van de attritor bestaat uit een reeks van waaiers binnen een verticale trommel. De rotatie van de waaiers veroorzaken de motie van de schuurmachine media, resulterend in de vermindering van de grootte van de deeltjes door botsingen tussen poeder, ballen en de waaiers. Grotere attritor molens zijn geschikt voor het produceren van meer dan 200 kg per run. Hoewel beide van deze molens aanzienlijke stijgingen in veel maten ten opzichte van shaker mills bieden, moeten ze zijn niet kan worden uitgevoerd op een continue wijze maar worden geladen en gelost handmatig voor elke run.

Als gevolg van deze tekortkomingen aandacht verschoven naar een reeks van hoge energie, horizontale roterende bal molens. Geschikt voor het verwerken van maar liefst 200 kg per partij, deze molens zijn ook geschikt zijn voor exploitatie onder inert atmosferen evenals vacuüm. Tot slot, het frezen kamer is ontworpen met een luchtsluis waarmee voor de snelle en automatische verwijdering van poeder zodra het frezen proces is afgerond. In combinatie met een automatische poeder injectiesysteem, betekent dit dat de bal molen kan worden uitgevoerd in een vrij constante wijze, waardoor het een zeer levensvatbaar systeem voor industriële instellingen. Door deze combinatie van functies, ARL heeft onlangs aangeschaft en geïnstalleerd twee molens en is nu bezig met het opschalen van interne poeder verwerking inspanningen.

Terwijl de poeder verwerking inspanningen een centraal aspect van de voortdurende inspanningen vertegenwoordigen, zijn de karakterisering en de consolidatie van de meest veelbelovende legering poeders ook gebieden van gericht onderzoek. Inderdaad, zoals hieronder, ARL heeft aanzienlijke investeringen gedaan in de vereiste analytische en testapparatuur die nodig zijn om de zeer belangrijke eigenschappen van de nieuwe poeders volledig te evalueren. Bovendien, succesvolle consolidatie van monsters nu voorziet in conventionele schaaleindwaarde mechanische testen en karakteriseren (bv., spanning, vermoeidheid, kruipen, schok en ballistische evaluatie) van deze materialen, die meestal niet haalbaar voor deze klasse van materiaal. Dit artikel rapporteert de protocollen gebruikt bij ARL voor de initiële synthese, schaal-up, consolidatie en karakterisering van bulk nanocrystalline metalen en legeringen.

De twee belangrijkste labs voor poeder synthese te zien in Figuur 1. Figuur 1A blijkt het kleinschalige poeder verwerking lab waarmee de snelle ontwikkeling van concepten en het ontwerp van de legering. Dit lab bevat verschillende molens van de hoge energie douane-ontworpen met de mogelijkheid om proces poeders over een bereik van temperaturen (kamer temperatuur tot 400 ° C) en 10 tot 196 ° c.. Het lab bevat ook een aangepaste horizontale buis oven ontworpen voor de snelle beoordeling van de thermische en microstructurele stabiliteit (bv., graan groei studies) van nieuwe metaallegeringen. Tot slot, het lab huist ook meerdere unieke kleinschalige mechanische testopstellingen zoals spanning, schuintrekken punch en indruk kruip testen van apparaten, evenals een state-of-the-art geïnstrumenteerde nano-indenter. Eenmaal grondig getest en aangetoond belofte, geselecteerde legeringen worden verplaatst naar de grote schaal verwerking lab (figuur 1B), waar de engineering en productie van protocollen worden ontwikkeld dat op grote schaal (bijv., kilogram) productie van de specifieke poeder. In totaal hebben de labs vertegenwoordigen een totale investering over de volgorde van 2 miljoen USD en heeft betrekking op de overgang van de roman metaalpoeders uit de lab-Bank aan de piloot-schaal productie-niveaus, waardoor de productie van prototype delen.

Hoge energie bal frezen/mechanische legering is een veelzijdig proces voor de productie van nanocrystalline metalen en legeringen in poeder vorm¹⁷. Beginnen met grof korrelige poeders (meestal gemiddelde korrel grootte ~ 5-10 µm), is het mogelijk om te verkrijgen nanocrystalline poeders met gemiddelde korrel grootte < 100 nm na frezen. Deze frees is routinematig uitgevoerd in een trilling/shaker molen. De frezen ampul is gevuld met de gewenste hoeveelheid zowel poeder als frezen ballen, meestal roestvrij staal. Deze molen schudt de flesjes in een beweging waarbij heen en weer oscillaties met korte zijwaartse bewegingen met een snelheid van ongeveer 1080 cycli min^-1. Met elke complexe bewegingen de ballen botsen met elkaar stoten tegen de binnenkant van de flacon en het deksel, en tegelijkertijd het poeder fijner grootte terug. De kinetische energie meegedeeld in het poeder is gelijk aan de helft de massa tijden het plein van de gemiddelde snelheid (19 m s^-1) van de lagers. De kracht van de molen, bv. de energie geleverd per tijdseenheid, toeneemt met de frequentie van de molen (15-26 Hz). Nemen het typische aantal ballen en de laagste frequentie voor een bepaalde 20u-periode, het totale aantal effecten groter is dan 1,5 miljard. Tijdens deze effecten ondergaat het poeder herhaalde breken en cold-welding tot het punt waar de kiezers op het atomaire niveau zijn gemengd. Microscopisch wordt dit mengen en de verfijning van de microstructuur vergemakkelijkt door gelokaliseerde vervorming in de vorm van shear bands, evenals een hoge dichtheid van dislocaties en punt gebreken die de microstructuur breekt. Uiteindelijk, zoals de warmte van botsing verhoogt de lokale temperatuur, komt recombinatie en vernietiging van deze gebreken op een steady-state met hun generatie. Het defect structuren uiteindelijk wel reorganisatie, resulteren in de vorming van kleinere en kleinere hoge hoek equiaxed korrels. Bal frezen is dus een proces dat ernstige plastische vervorming manifesteert zich door de aanwezigheid van een hoge dichtheid van gebreken induceert. Dit proces zorgt voor verhoogde richtgetal van opgeloste elementen en de verfijning en dispersie van secundaire fasen en de algehele nanostructurering van de microstructuur.

Hoge energie-cryomilling is een frezen proces gelijkend op hoge energie bal frezen met uitzondering van het feit dat de flacon frezen bij cryogene temperatuur wordt gehandhaafd tijdens het frezen proces. Met het oog op een homogene temperatuur in de flacon, is de molen als volgt gewijzigd. De flacon frezen wordt eerst binnen een Teflon-mouw die vervolgens wordt afgesloten met een Teflon-cap geplaatst. De mouw is verbonden met een dewar met de juiste cryogen (vloeibare stikstof (LN₂) of vloeibaar argon (LAr)) door middel van roestvrij staal en kunststof slangen. De cryogen stroomt door de mouw tijdens het frezen proces afkoelen van de flacon frezen en handhaven van de flacon frezen op de kooktemperatuur van de cryogen, zoals 196 ° c. voor LN₂ en-186 ° C voor LAr. De lage temperaturen van cryogene verwerking leiden tot de grotere fragmentatie van meer nodulair metalen die anders niet kan bij kamertemperatuur worden gemalen. Bovendien, de cryogene temperaturen verminderen thermisch geactiveerd diffusional processen zoals graan groei en fase-separatie zichtbaar waardoor meer verfijning van de microstructuur en oplosbaarheid van onoplosbare elemental soorten.

De energierijke horizontaal roterende bal molen is een hoge energie systeem dat uit een horizontale roestvrij stalen frezen pot met een high-speed rotor met verschillende bladen bestaat, gefixeerd op een Aandrijfas/Cardanas frezen. Het poeder te worden gemalen wordt overgedragen binnen de pot samen met de ballen van de frees. Beweging van de ballen en poeder wordt bereikt door de rotatie van de schacht in de pot. De as draait op hoge snelheid en de frezen stalen ballen botsen, versnellen en hun kinetische energie overbrengen in de poeders. Het aantal rpm is 100-1000 en de gemiddelde snelheid van de ballen is 14 m s^-1. In het bijzonder molens zijn uitgerust om te functioneren over een bereik van temperatuur (-30 ° C tot 200 ° C hoge) frezen en kunnen worden overreden onder vacuüm (mTorr) of in druk modus (1500 Torr) (met behulp van verschillende soorten dekking gas). Naast de basiseenheid, de molen is uitgerust met een carrier gas geen kwijting evenals verbinding samenstellen waarmee het laden en lossen van poeder onder inert gas. Dit apparaat kan worden gezien in figuur 2A samen met een typische 8 L staal frezen pot (figuur 2B). Naast de grotere molen, heeft ARL gekocht een kleinere molen die is omgebouwd tot uitgevoerd onder vloeibare stikstof (figuur 2C). Deze molen kan opleveren tussen 100-400 g verwerkte poeder per lopende cyclus.