Gubicza Jenő 1, Guy Dirras 2, Salah Ramtani 2

Az előállítási körülmények hatása nanoporokból szintereltfémek mikroszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira

1Eötvös Loránd Tudományegyetem,Anyagfizikai Tanszék

Budapest

2LSPM - CNRS, Université Paris 13,Sorbonne Paris CiteVilletaneuse, France

• random szemcseorientáció(izotróp tulajdonságok)

• stabil szemcseszerkezet• szennyezés, oxidáció (nanopor)• maradó porozítás (1-5 térf.%)

Előnyök / hátrányok:

Tömör szubmikron- és nanoszemcsés fémek előállíthatók nanoporokszinterelésével:

Kutatási cél:

Hogyan befolyásolja a nanoporból tömörített fémek mikroszerkezetét ésmechanikai tulajdonságait:

• a kiindulási por részecskemérete• a szinterelés ideje és hőmérséklete• az alkalmazott védőgáz ?

A port tartalmazó vákumkapszulát Ar atmoszférában törték fel és töltötték a portegy acéltartályba.

Tömörítés: 140 MPa, 700 °C, 150 perc

Hot Isostatic Pressing (HIP):

Spark Plasma Sintering (SPS):

A port tartalmazó vákumkapszulát Ar atmoszférában vagy levegőben törték fel éstöltötték a port egy grafit öntőformába.Tömörítés: 150 MPa, 500 ° C, 1 perc

Ni nanoport kétféle eljárással tömörítettünk

Relatív sűrűség a tömör Ni-hez képest: 95.5 ± 0.1 %

Relatív sűrűség a tömör Ni-hez képest: 95.4 ± 0.1 %

Az SPS során nagy áramsűrűségű impulzusok (1000 A/cm2) segítik a tömörödést,így csökkenthető a szinterelés hőmérséklete és ideje, ezáltal kisebb lesz aszemcsedurvulás.

Oxigén elemtérkép (EFTEM)

A Ni nanopor szinterelése során a szemcsék durvulnak és a NiO tartalom növekedhet

részecskeméret: 80 nm

99.9% tisztaságú Ni

DTEM = 294 nm

SPS, levegőben

INiO INi

Ni

NiO

II

∝tartalomNiO

250 nm

294 nm

306 nm

403 nm

Szemcse-méret

0.6±0.1 %SPS, Ar-ban

1.5±0.1 %SPS, levegőben

0.9±0.1 %SPS, levegőben

0.5±0.1 %HIP, Ar-ban

NiOtartalom

Szinterelésmódja

1.2±0.1 %50 nm

0.5±0.1 %80 nm

NiOtartalom

Porrészecskeméret

A szemcseméret és az oxidfázis hatása a mechanikai tulajdonságokra

Bui et al., Mater. Sci. Eng A (2010)

Egytengelyű összenyomás

Gubicza et al., J. Mater. Res. (2009)

A szemcsehatáron lévő oxidfázis gyengíti a szemcsék közötti kötést, így mechanikaiterhelés hatására könnyebben keletkezik repedés a szemcsehatárokon. Ez csökkenti azanyag alakíthatóságát.

SPS + összenyomás

80 nm-es porSPS: levegőbenHIP: Ar-ban

Bimodális szemcseszerkezetű tömör Ni előállítása különböző részecskeméretűporok keverékének szinterelésével

Nanopor (NP)Durvaszemcsés por (CP)

NP CP

∼5 µm-es porszemcsékCP 33 térf. % CP + 67 térf. % NP

∼80 nm-es porszemcsék

∼50 µm-es klaszterek

Durvaszemcsés (CG) minta

A szemcseméret 50–100 µm, ami közel akkora vagy nagyobb, mint a CP porban a klaszterméret.

porszemcsék „összenövése” a szinterelés során

Dirras et al., Mater. Sci. Eng A (2010)

CG minta: 100% CP„A” minta: 33 térf. % CP + 67 térf. % NP„B” minta: 17 térf. % CP + 83 térf. % NPUFG minta: 100% NP

A porokat rázómalomban keverték össze, majd HIP eljárással tömörítették.

A CG hányad a tömör anyagban nagyobb, mint a CP hányad a porban, mert a CP sűrűbb térkitöltésű.

UFG hányad: 39 %CG hányad: 61 %

UFG hányad: 61 %CG hányad: 39 %

„A” minta

„B” minta

CG szemcseméret:13 µm

CG szemcseméret:7 µm

Az UFG komponens nagy oxidtartalmával akadályozza a CG szemcsék összenövéséhez szükségesszemcsehatármozgást („barrier” effect).

UFG < 1 µmCG ≥ 1 µm

UFG szemcseméret:400 nm

UFG szemcseméret:400 nm

0.32±0.035.6±0.5UFG minta

0.00±0.050.3±0.2„B” minta, UFG mátrix

0.00±0.050.7±0.2„A” minta, UFG mátrix

β [%]ρ [1014 m-2]

diszlokáció sűrűség ikerhatár gyakoriság

-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.101E-3

0.01

0.1

1

∆K [1/nm]

coun

ts

A szinterelés során a CP és NP részecskék találkozásánál a puhább CP részecskék könnyebbendeformálódnak, mint az NP részecskék, így a CP részecskék „megvédik” az NP részecskéket a nagydeformációtól („shielding” effect).

„A” minta311 reflexió

A röntgendiffrakciós Debye-Scherrer gyűrűk kiértékelése

A nanokeménységméréseket Szommer Péter végezte.

Nanokeménység eloszlás

20 µm…

…

…

20 µm20 x 20 benyomódásPm=2 mNBenyomódási mélység:100-200 nm

barrier effect

shielding effect

Lineáris interpolációval nem kapható meg „A” és „B” keménysége!

„A” minta

CG minta

„B” minta

UFG minta

A szinterelési hőmérséklet hatása Al nanoporból tömörített mintákmikroszerkezetére

Kiindulási por: d = 80 nm + 1-10 µm Szinterelt anyag: d = 150 nm + 1-10 µm

HIP550 °C250 MPa10 h

40 60 80 100

100

1000

10000

2 theta [deg]

coun

ts

Al

Al2O3

Al2O3 nanorészecskék kialakulása az Al porszemcsék felületén lévő amorfréteg kikristályosodásával, majd összetöredezésével.

A szinterelt anyag felfűtése kaloriméterben

3%-os tömegcsökkenés: valószínűlegamikor az Al-hidroxidbol oxid lett,vízgőz szabadult fel

HIP 450 °C-on: nem képződik kristályos Al2O3

30 40 50 60 70 80 90

100

1000

10000Al, HIP, 450 0C, annealed up to 327 0C

coun

ts

2 theta [deg]

Al

30 40 50 60 70 80 90100

1000

10000

2 theta [deg]

coun

ts

Al, HIP, 450 0C, annealed up to 627 0C

Al2O3Al

Dirras, Gubicza, Tingaud, Billard, Mater. Phys. Chem. 2011

HIP 450 °C-on

Az amorf rétegakadályozza atömörödést.

Összefoglalás:

• A kisebb részecskeméretű porból szinterelt Ni kisebb szemcsemérettel és nagyobboxidtartalommal rendelkezett, ami nagyobb szilárdságot, de kisebb alakíthatóságoteredményezett. Hasonló hatása volt a mechanikai tulajdonságokra annak is, amikorugyanazt a részecskeméretű port Ar védőgáz helyett levegőn tömörítettük.

• Az SPS eljárás alkalmazása a HIP helyett Ar védőgázban jelentősen csökkenti aszinterelési időt és hőmérsékletet, ami kisebb szemcsedurvulást és így nagyobbszilárdságot eredményez.

• Ajánlott az Al nanoporokat a felszíni amorf réteg kristályosodási hőmérséklete (550 °C)felett szinterelni, mert alacsonyabb hőmérsékleten az amorf réteg egy védőburokhozhasonlóan akadályozza a tömörödéshez szükséges Al diffúzót.

• Nano- és durvaszemcsés porok keverékéből tömörített anyagban mindegyikkomponens hatással van a másik mikroszerkezetének fejlődésére a szinterelés során.