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.
Top Related