Nanokristalline Legierungen und Nanokorngrößenstabilität

Quelle: Sina Shahbazmohamadi und Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, School of Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT

Legierungen mit einer Korngröße von weniger als 100 nm werden als Nanokristallinlegierungen bezeichnet. Aufgrund ihrer verbesserten physikalischen und mechanischen Eigenschaften besteht eine ständig steigende Nachfrage, sie in verschiedenen Branchen wie Halbleiter, Biosensoren und Luft- und Raumfahrt einzusetzen.

Um die Verarbeitung und Anwendung von nanokristallinen Legierungen zu verbessern, ist es notwendig, fast 100% dichte Schüttgüter zu entwickeln, die eine synergistische Wirkung von erhöhter Temperatur und Druck erfordert. Durch die Erhöhung der aufgebrachten Temperatur und des Drucks beginnen kleine Körner zu wachsen und verlieren ihre ausgeprägten Eigenschaften. Daher ist es technologisch wichtig, einen Kompromiss zwischen der Interteilchenbindung mit minimaler Porosität und dem Verlust der nanoskaligen Korngröße bei der Konsolidierung bei erhöhten Temperaturen zu finden.

In dieser Studie wollen wir Sauerstoff aus festen Lösungen eliminieren, um die Nanokorngrößenstabilität bei erhöhten Temperaturen zu verbessern. Die nanokristalline Fe-14Cr-4Hf-Legierung wird in einer geschützten Umgebung synthetisiert, um die Bildung von Oxidpartikeln zu vermeiden.

Korngrenzen haben eine relativ hohe Gibbs freie Energie. Somit ist die gesamte Gibbs-freie Energie in Nanomaterialien aufgrund einer großen Menge an Korngrenzen relativ hoch. Hohe Gibbs freie Energie macht das Material instabil, vor allem bei erhöhten Temperaturen. Durch die Erhöhung der Temperatur wachsen instabile Körner leicht und die Materialien verlieren ihre mechanischen Eigenschaften (z. B. Festigkeit, Duktilität, etc.). Dies bedeutet, dass durch die Verringerung der Korngröße das gesamte Material weit über den Gleichgewichtszustand hinausgeht, was zu veränderten thermodynamischen Eigenschaften führt, was die Kornstabilität insbesondere bei erhöhten Temperaturen verringert. Mit anderen Worten, jedes Material muss thermodynamisch stabil sein. Die Verwendung mechanischer Techniken zur Umstellung regelmäßiger Materialien auf Nanomaterialien verändert ihre thermodynamischen Eigenschaften. Es bedeutet, dass sie nicht mehr stabil sind und es vorziehen, in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Die Erhöhung der Temperatur erleichtert dies. Daher müssen neu entwickelte Nanomaterialien bei hohen Temperaturen stabilisiert werden.

Zur Analyse der Korngröße kann die Scherrer-Gleichung (Äqu. 1) in Verbindung mit Röntgenbeugungsdaten verwendet werden. Nach der Wärmebehandlung (bei jeder Temperatur) werden Proben von der XRD-Maschine analysiert, um die relevanten Spitzen zu erhalten.  Die Scherrer-Gleichung bezieht die Größe von Nanokorns auf die Verbreiterung eines Peaks in einem Beugungsmuster.

D=K - / (-cos) (1)

wobei D die Nanokorngröße ist, ist K der Formfaktor (-1), die Linie, die sich bei der halben maximalen Intensität (FWHM) ausdacht, nachdem die Instrumentallinie in Bogenianern subtrahiert wurde.  ist die Röntgenwellenlänge und der Bragg-Winkel in Grad.

Jüngste Studien an nanokristallinen Materialien zeigen, dass die Segregation von Legierungselementen bis zu den Korngrenzen die Stabilität der Korngröße verbessert. Alle Trennungsbereiche, von stark getrennten Legierungen im Ni-P-System bis hin zu schwach getrennten Inni-W, können thermodynamische Stabilität entwickeln.

In dieser Studie wird ein Nicht-Gleichgewichtsstabilisator (Hafnium (Hf)) eingeführt, so dass, wenn er sich bei erhöhten Temperaturen auf Korngrenzen abgrenzt, die freie Gibbs-Energie abnimmt und ein metastabiler Gleichgewichtszustand mit nanokristallinen Materialien.

Der thermodynamische Stabilitätsmechanismus der Korngröße kann sich durch Sauerstoffelierung aus fester Lösung verbessern. Die Sauerstoffelimination verhindert die Bildung von Oxidpartikeln im Material, was dazu führt, dass in der festen Lösung noch mehr gelöst bleibt, die sich an die Korngrenzen trennen kann. Durch die Erhöhung der Menge des gelösten Inhalts in den Korngrenzen erreicht es einen Sättigungswert, der zur Stabilität der Korngröße führt.

Die freie Energieabnahme für die HfO2-Oxidbildung ist etwa eine Größenordnung größer als die freie Energieabnahme für die Hf-Korngrenzsegregation. Durch Eliminierung von O aus der Matrix (und Erhöhung der gelösten Segregation bis zu den Korngrenzen) nimmt die Korngrenzbeweglichkeit im Verhältnis zum hohen O-Gehalt ab.

Nominell sauerstofffreie (OF) nanokristalline Fe14Cr4Hf-Legierung wurde in einem Handschuhkasten durch mechanisches Ablegen des festen Materials hergestellt. Diese Legierung wurde gewählt, weil die jüngsten regulären Lösungsmodelle vorhersagen, dass Hf die thermodynamische Korngrößenstabilisierung in Fe14Cr4Hf-Legierungen bei erhöhten Temperaturen erleichtern würde.

Diese Studie ist auf Legierungen beschränkt, die Solute/Stabilisator mit hoher Oxidbildung Enthalpie haben. Andernfalls kann die Sauerstoffelierung keinen signifikanten Einfluss auf die Stabilität der Korngröße haben.

1. File the high rinity low oxygen content bulk materials (Fe, Cr und Hf targets) in der Handschuhbox mit einer hubzianten mechanischen Ablagemaschine, um die Sauerstoffkontamination in den Startpulvern zu minimieren.
2. Das Pulvergemisch für eine bestimmte Legierung (Fe14Cr4Hf wt.% in dieser Studie) in eine Edelstahl-Durchstechflasche zusammen mit 440C Edelstahl-Fräskugeln(Abb. 1) laden Die Durchmesser der Fräskugeln sind 6,4 und 7,9 mm und das Pulver-Gewicht-Verhältnis der Kugel 10:1. Die versiegelte Durchstechflasche muss unter Schutzatmosphäre im Handschuhkasten aufbewahrt werden.
3. Führen Sie hochenergetisches Kugelfräsen für 20 Stunden mit SPEX 8000M Hochenergiekugelmühlen(Abb. 2).
4. Anneal fräste der Ball Fe14Cr4Hf für 60 min bei Temperaturen zwischen 500°C und 1200°C, bei Schritten von 100°C.
5. Messen Sie die Nanokorngröße mit Hilfe des Röntgendiffraktometers und der Scherrer-Gleichung. Es sollten Analysen für gefräste und geglühte Proben durchgeführt werden. Die Korngröße kann unter der Annahme berechnet werden, dass Lorentzian-Spitzenprofile für die vier intensivsten Spitzen nach Abzug der instrumentalen Verbreiterung liegen. Hierfür sollten die folgenden Schritte befolgt werden:
   • Führen Sie XRD für die wärmebehandelten Proben aus.
   • Messen Sie die Breite der Spitzen bei der halben maximalen Höhe.
   • Setzen Sie die Daten in die Gleichung 1 ein, und berechnen Sie die Korngröße.
   • Diese Schritte sollten bei allen Temperaturen wiederholt werden.
6. Führen Sie mehrere Glühbehandlungen und Röntgenanalysen bei jeder der von Interesse sindden Glühtemperaturen durch, um eine genaue Korngröße zu ermitteln und die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.
7. Verwenden Sie eine 5 mm Matrize und Stanze mit hydraulischer Presse (3 Tonnen), um das Pulver für die mikroskopische Analyse zu pressen.
8. Belastungsprobe im Transmission Electron Microscope (TEM), um die Korngröße und Nanopartikelbildungen zu sehen.
9. Vergleichen Sie die Korngrößen, die aus TEM-Mikroskop und Röntgenbeugung mit ähnlichem Pulver mit Sauerstoffkontamination resultieren.

Abbildung 1: Durchstechflasche aus Edelstahl mit zwei verschiedenen Kugelgrößen.

Abbildung 2: Hochenergie SPEX 8000M Kugelfräsen.

Abb. 3 zeigt die XRD-Daten für kugelgefräste OF-Fe14Cr4Hf, die eine Stunde lang bei 900°C geglüht wurden. Es gibt eine Schärfung der Spitzen zusammen mit leichten Spitzenverschiebungen. Es ist aufgrund der Entspannung der Gitterbelastung, wie die Glühtemperatur steigt. Wenn die Glühtemperatur steigt, werden mehrere kleine Spitzen zwischen den vier großen BCC-Spitzen offenbart. Diese würden auf die Bildung von Sekundärphasen hinweisen.
Abb. 4a-c zeigt TEM-Bilder und Beugungsmuster für OF-Fe14Cr4Hf geglüht für 1 Stunde bei 900°C. Nanoskalige Partikel in einem Größenbereich von bis zu ca. 20nm sind vorhanden.

Abbildung 3: XRD-Muster für OF-Fe14Cr4Hf geglüht für eine Stunde bei 900°C.

Abbildung 4: TEM-Bilder und Beugungsmuster für OF-Fe14Cr4Hf geglüht bei 900°C für 60 min.

Das Experiment zeigt, wie sich die Nanokorngrößenstabilität der nominell sauerstofffreien nanokristallinen Materialien im Vergleich zu den Legierungen mit erheblicher Sauerstoffmenge verbessern kann. In dieser Studie führen die IN einer geschützten Atmosphäre synthetisierten OF-Pulver, um die Wechselwirkung zwischen Sauerstoff und fester Lösung zu minimieren, die Segregation von Legierungselementen bis zu den Korngrenzen zu erhöhen und die thermodynamische Korngrößenstabilität zu verbessern. Das TEM-Mikroskop stellte sich als kostengünstiges, zeitsparendes und leistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung der Korngrenzen und Nanopartikel vor.

Ermüdungsfestigkeit und Kriechfestigkeit sind die wichtigsten Eigenschaften, die für Flugzeugkomponenten erforderlich sind, die einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer des Flugzeugs haben können. Um die Lebensdauer von Flugzeugen zu erhöhen, ist es von entscheidender Bedeutung, Materialien mit erhöhter Ermüdungs-/Kriechfestigkeit/-beständigkeit einzusetzen, die vor allem durch eine Reduzierung der Korngrößen erreichbar sind. Hochtemperaturstabile Nanomaterialien mit einer Korngröße von weniger als 10 bis 7 m können eine Ermüdungslebensdauer bieten, die dreimal so hoch ist wie herkömmliche Materialien. Darüber hinaus ist diese neue Generation nanokristalliner Materialien stärker und in der Lage, bei relativ hohen Temperaturen zu arbeiten, was zu einer signifikanten Erhöhung der Geschwindigkeit und Kraftstoffeffizienz von Flugzeugen führt.

Die hochtemperaturstabilen nanokristallinen Materialien sind auch für Weltraumhandwerke perfekte Kandidaten. Verschiedene Teile des Weltraumhandwerks (z.B. Raketentriebwerke, Schubdüsen und Vektordüsen) arbeiten bei höheren Temperaturen als bei Flugzeugen.

Satelliten mit zwei Anwendungen von Zivil- und Verteidigungsanwendungen sind auch ein vernünftiges Ziel für hochtemperaturstabile Nanomaterialien. Thruster-Raketen, die im Satelliten verwendet werden, um ihre Umlaufbahnen zu ändern, benötigen Nanomaterialien, die erhöhte Temperaturen vertragen könnten. An Bord können Zünder, die aus konventionellen Materialien entwickelt wurden, schnell verschleißen und ihre Effizienz verlieren, während vorgeschlagene Nanomaterialien länger halten.