Tratamiento de metales nanocristalinos de bulto en el laboratorio de investigación del ejército de Estados Unidos

Metales nanocristalinos preparados por aleación mecánica de alta energía se han demostrado para exhibir fuerza mecánica superior en comparación con sus contrapartes de grano grueso. Sin embargo, como dictada por principios termodinámicos, nanocristalina microestructuras están sujetos a grano aspereza a temperaturas elevadas. Como tal, procesamiento y aplicaciones de estos materiales está actualmente limitada por la capacidad para crear microestructuras estabilizadas en forma masiva. Dado el potencial de estos materiales, se persiguen dos métodos primarios en un esfuerzo por desarrollar estos sistemas. La primera, basada en un enfoque cinético, utiliza varios mecanismos para aplicar una fuerza de fijación de los límites de grano (GBs) con el fin de evitar el crecimiento de grano. Mecanismos típicos emplean para pin que la EGB es fases secundarias (Zener de clavos)^1,2,3 o soluto arrastre efectos^4,5. El segundo método, basado en un enfoque de la termodinámica, suprime el crecimiento del grano al reducir la energía libre de GB a través de átomos de soluto repartir a GBs^{6,7,8,9, 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}.

Como el primer paso para el desarrollo de aleaciones con una microestructura nanograined, se estableció la comprensión fundamental en principios termodinámicos y cinéticos que rigen el crecimiento de grano y estabilidad microestructural en las temperaturas elevadas. Ciencia computacional de materiales también fue utilizada para guiar el desarrollo de la aleación. Con estas ideas, un montón de pequeña escala de varios polvos de aleación fueron producido con alta energía de fresado y evaluados para una amplia gama de propiedades físicas y mecánicas. Para los sistemas más prometedores, técnicas avanzadas de caracterización fueron desarrolladas para unir totalmente la microestructura de los polvos a las propiedades observadas y rendimiento.

Al mismo tiempo, se adquirió la infraestructura y equipos necesarios para producir componentes a granel de los polvos nanocristalinos. Una vez que este equipo estaba en el lugar, la ciencia de la transformación necesaria para consolidar plenamente materiales a granel de los polvos de la aleación fue desarrollada a través de una serie de experimentos a pequeña escala. Una vez que las muestras a granel estaban disponibles, se realizaron una serie de experimentos para entender la respuesta mecánica de estos materiales en una amplia gama de condiciones (tales como fatiga, fluencia, tarifa de alta tensión, etcetera). Los conocimientos adquiridos de estos experimentos se ha utilizado para desarrollar espacios de posible aplicación que permitirán la comercialización de las aleaciones de nanocristalinos de estabilizado a granel.

Colectivamente, cumpliendo estas tareas ha conducido al desarrollo dentro de laboratorio de investigación del ejército de Estados Unidos (ARL) de un centro de investigación de metales nanocristalinos de 4 laboratorios principales. Este laboratorio complejo representa una inversión total de 20 millones de dólares y es el único que abarca aspectos de la ciencia fundamental, aplicada y manufactura. El propósito principal de estos laboratorios es ideas de prueba de concepto de transición a nivel piloto y la fabricación. De esta manera, se prevé que los laboratorios permiten la producción de piezas prototipo, desarrollar el know how necesario y ciencia para el escalado-para arriba proceso de fabricación y permiten los vínculos internos, así como institutos de investigación externos o socios industriales a través de la comercialización y la transición de esta tecnología de avanzada en polvo.

Como se indicó anteriormente, el primer paso es identificar, producir y evaluar rápidamente nuevos prototipos de aleación tanto viabilidad de síntesis y fabricación en piezas prototipo. Para lograr esto, se han construido varios molinos de coctelera de energía único, diseñado con la capacidad para procesar polvos sobre una amplia gama de temperaturas de-196 ° C a 200 ° C. Como su nombre indica, estos molinos producen aproximadamente 10-20 g de polvos finos a través de la acción de agitación violenta que causa impactos repetitivos entre polvo y pulido de los medios de comunicación para producir polvos en la que cada partícula tiene una composición proporcionalmente a la comienzo de la mezcla de polvo elemental. Mientras que es conveniente para la detección rápida de polvos, molinos de este tipo no son claramente convenientes para la producción de polvo en escala industrial (cerca) (e.g., kilogramos).

Dada la necesidad de producir polvo en grandes cantidades y en como continua un proceso como sea posible, una búsqueda fue realizada para identificar los equipos y métodos potencialmente viables. Molinos planetarios de bolas utilizan un disco de apoyo que rota en la dirección opuesta de los viales orientadas verticalmente, dando por resultado la reducción de tamaño de partícula debido a la molienda y colisiones causadas por fuerzas centrífugas. Muchos tamaños para más gama de Molinos planetarios hasta aproximadamente 2 kg. A diferencia de los molinos convencionales, molinos attritor consiste en una serie de hélices dentro de un tambor vertical. La rotación de los impulsores de provocar el movimiento de los medios de pulido, resultando en reducción de tamaño de partícula a través de colisiones entre polvo, bolas y los impulsores. Molinos attritor más grandes son capaces de producir más de 200 kg por carrera. Aunque ambos de estos molinos ofrecen incrementos significativos en tamaños de lote en relación con los molinos de la coctelera, ellos no son capaces de ejecutar de manera continua sino deben ser cargados y descargados manualmente para cada serie.

Debido a estas deficiencias, atención cambió de puesto a una serie de alta energía, molinos de bolas rotatorio horizontal. Capaz de procesar hasta 200 kg por batch, estos molinos son también capaces de funcionamiento en atmósferas inertes, así como vacío. Por último, la cámara de molienda ha sido diseñada con una bolsa de aire que permite la eliminación rápida y automatizada de polvo una vez finalizado el proceso de beneficiado. Combinado con un sistema de inyección de polvo automático, esto significa que el molino de bola es capaz de ejecutar de forma bastante continua, lo que un sistema altamente viable para entornos industriales. Debido a estas combinación de características, ARL tiene recientemente adquiridos e instalados dos molinos y ahora participa en el mejoramiento de esfuerzos de procesamiento interno en polvo.

Mientras que los esfuerzos de procesamiento de polvo representan un aspecto central de los esfuerzos en curso, la caracterización y consolidación de los polvos más prometedores de la aleación también son áreas de investigación. De hecho, como se detalla a continuación, ARL que ha realizado inversiones notables en el requisito analítico y equipo necesario para evaluar plenamente las características clave de los polvos nuevos de prueba. Además, exitosa consolidación de muestras ahora permite la escala convencional de pruebas mecánicas y caracterización (e.g., tensión, fatiga, fluencia, choque y evaluación balística) de estos materiales que normalmente no ha sido posible para esta clase de material. Este artículo informa de los protocolos utilizados en el ARL para síntesis inicial, ampliación, consolidación y caracterización de granel nanocristalinos metales y aleaciones.

Los dos principales laboratorios para síntesis de polvo pueden verse en la figura 1. Figura 1A muestra el polvo en pequeña escala, procesamiento de laboratorio que permite el rápido desarrollo de conceptos y diseño de la aleación. Este laboratorio contiene varios molinos diseñados de alta energía con la capacidad de proceso de polvos en un rango de temperaturas (temperatura a 400 ° C) y 10 a-196 ° C. El laboratorio contiene también un horno de tubo horizontal personalizado diseñado para la rápida evaluación de la estabilidad termal y microestructural (e.g., estudios de crecimiento de grano) de nuevas aleaciones metálicas. Por último, el laboratorio también alberga varias configuraciones de única prueba mecánica en pequeña escala, incluyendo tensión, Golpe cortante y fluencia de impresión pruebas de dispositivos, así como un estado de la técnica instrumentada nano-penetrador. Una vez comprobado y demostrado promesa, aleaciones seleccionadas se mueven al laboratorio de procesamiento de gran escala (figura 1B), donde se desarrollan la ingeniería y la fabricación de protocolos para permitir la gran escala (por ej., kilogramo) producción de la polvo específico. En total, los laboratorios representan una inversión total del orden de USD 2 millones y cubre la transición de la novela polvos de metal de la mesa de laboratorio a nivel piloto de fabricación, permitiendo la fabricación de piezas prototipo.

Molienda mecánica de alta energía bola aleación es un proceso versátil para la producción de metales nanocristalinos y aleaciones en forma de polvo¹⁷. A partir de polvos de granos gruesos (grano típicamente media tamaño ~ 5-10 μm), es posible obtener polvos nanocristalinos con tamaño de grano promedio < 100 nm después de moler. Esta molienda se realiza rutinariamente en un Molino vibratorio shaker. El frasco de fresado se llena con la cantidad deseada de polvo, así como bolas de molienda, normalmente de acero inoxidable. Este molino agita los frascos en un movimiento que implica hacia adelante y hacia atrás las oscilaciones con movimientos laterales cortos a una velocidad de aproximadamente 1080 ciclos min^-1. Con cada movimiento complejo las bolas chocan uno con el otro, impacto contra la parte interior de la cubeta y la tapa y al mismo tiempo reducen el polvo al tamaño más fino. La energía cinética impartida en el polvo es igual a la mitad la masa veces el cuadrado de la velocidad media (19 m s^-1) de los cojinetes. La potencia del molino, por ejemplo. la energía entregada por unidad de tiempo, aumenta con la frecuencia del molino (15-26 Hz). Tomando el número típico de bolas y la frecuencia más baja para un período dado 20 h, el número total de impactos supera los 1,5 millones. Durante estos impactos el polvo sufre fracturas repetidas y cold-welding hasta el punto donde se mezclan los componentes a nivel atómico. Microscópicamente esta mezcla y el refinamiento de la microestructura es facilitada por la deformación localizada en forma de bandas de cizalla así como una alta densidad de dislocaciones y defectos de punto que rompe la microestructura. Finalmente, como el calor de la colisión eleva la temperatura local, recombinación y a la aniquilación de estos defectos se produce en un estado estacionario con su generación. El defecto aunque estructuras eventualmente, reorganización, resultado en la formación de granos de equiaxed del ángulo más pequeño y más alto. Por lo tanto, molienda de bolas es un proceso que induce la deformación plástica severa que se manifiesta por la presencia de una alta densidad de defectos. Este proceso permite mayor difusividad de elementos solutos y el refinamiento y la dispersión de fases secundarias y el general nanoestructuración de la microestructura.

Cryomilling de alta energía es un proceso de molienda similar para molienda de bolas de alta energía excepto por el hecho de que el frasco de fresado se mantiene a temperatura criogénica durante el proceso de beneficiado. Para lograr una temperatura uniforme en el frasco, el molino ha sido modificado como sigue. El frasco de la molienda se coloca primero dentro de una funda de teflón que luego se sella con un tapón de teflón. El manga está conectada a un dewar con el cryogen adecuado (nitrógeno líquido (LN₂) o argón líquido (LAr)) a través de acero inoxidable y tubo de plástico. El criogénico fluye a través de la manga durante todo el proceso de molienda para enfriar el frasco de fresado y mantener el frasco de fresado en la temperatura de ebullición del cryogen, tales como de-196 ° c C LN₂ y-186 de LAr. Las bajas temperaturas de procesamiento criogénico conducen a la fragmentación creciente de los metales más dúctiles que de otra manera no puede ser molida a temperatura ambiente. Además, las temperaturas criogénicas reducen procesos termal activados difusionales como crecimiento de grano y separación de fases lo que permite mayor refinamiento de la microestructura y solubilidad de las especies elementales insolubles.

El molino de bola rotatoria horizontal de alta energía es una energía alta, sistema que consiste en un frasco de fresado horizontal de acero inoxidable con un rotor de alta velocidad con varias hojas fijadas en un eje de fresado. El polvo para fresar se transfiere dentro del frasco junto con las bolas de molienda. Movimiento de las bolas y polvo se consigue mediante la rotación del eje dentro del frasco. El eje gira a alta velocidad y las bolas de acero fresado chocan, aceleran y transfieren su energía cinética a los polvos. El rango de rpm es de 100-1000 y el promedio de la velocidad de las bolas es 14 m s^-1. En particular, molinos están equipados para operar en un rango de temperatura (-30 ° C a 200 ° C alta) de fresado y se pueden ejecutar bajo vacío (mTorr) o en modo de presión (1500 Torr) (utilizando varios tipos de gas de la cubierta). Además de la unidad base, el molino está equipado con una unidad de descarga de gas portador así como montajes de conexión que permite la carga y descarga de polvo bajo cubierta de gas inerte. Este aparato puede verse en la figura 2A , junto con una típica 8 L de acero fresado frasco (figura 2B). Además el molino más grande, ARL ha adquirido un molino más pequeño que ha sido convertido para funcionar bajo nitrógeno líquido (figura 2). Este molino puede producir entre 100-400 g de polvo procesado por ciclo.