Az el állítási körülmények hatása nanoporokból szinterelt fémek mikroszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira Gubicza Jen 1Eötvös
1,
Guy Dirras 2, Salah Ramtani 2
Loránd Tudományegyetem, Anyagfizikai Tanszék Budapest
2LSPM
- CNRS, Université Paris 13, Sorbonne Paris Cite Villetaneuse, France
Tömör szubmikron- és nanoszemcsés fémek el állíthatók nanoporok szinterelésével: El nyök / hátrányok:
• random szemcseorientáció (izotróp tulajdonságok) • stabil szemcseszerkezet • szennyezés, oxidáció (nanopor) • maradó porozítás (1-5 térf.%)
Kutatási cél: Hogyan befolyásolja a nanoporból tömörített fémek mikroszerkezetét és mechanikai tulajdonságait: • a kiindulási por részecskemérete • a szinterelés ideje és h(mérséklete • az alkalmazott véd(gáz ?
Ni nanoport kétféle eljárással tömörítettünk Hot Isostatic Pressing (HIP): A port tartalmazó vákumkapszulát Ar atmoszférában törték fel és töltötték a port egy acéltartályba. Tömörítés: 140 MPa, 700 °C, 150 perc Relatív s2r2ség a tömör Ni-hez képest: 95.5 ± 0.1 % Spark Plasma Sintering (SPS): A port tartalmazó vákumkapszulát Ar atmoszférában vagy leveg ben törték fel és töltötték a port egy grafit önt(formába. Tömörítés: 150 MPa, 500 ° C, 1 perc Relatív s2r2ség a tömör Ni-hez képest: 95.4 ± 0.1 % Az SPS során nagy árams2r2ség2 impulzusok (1000 A/cm2) segítik a tömörödést, így csökkenthet( a szinterelés h(mérséklete és ideje, ezáltal kisebb lesz a szemcsedurvulás.
A Ni nanopor szinterelése során a szemcsék durvulnak és a NiO tartalom növekedhet 99.9% tisztaságú Ni
Oxigén elemtérkép (EFTEM)
részecskeméret: 80 nm
SPS, leveg ben DTEM = 294 nm
NiO tartalom
I NiO I Ni
INiO
INi Szinterelés módja
Szemcseméret
NiO tartalom
Por részecskeméret
NiO tartalom
HIP, Ar-ban
403 nm
0.5±0.1 %
80 nm
0.5±0.1 %
SPS, Ar-ban
306 nm
0.6±0.1 %
50 nm
1.2±0.1 %
SPS, leveg ben
294 nm
0.9±0.1 %
SPS, leveg ben
250 nm
1.5±0.1 %
A szemcseméret és az oxidfázis hatása a mechanikai tulajdonságokra
Egytengely1 összenyomás
Bui et al., Mater. Sci. Eng A (2010)
A szemcsehatáron lév( oxidfázis gyengíti a szemcsék közötti kötést, így mechanikai terhelés hatására könnyebben keletkezik repedés a szemcsehatárokon. Ez csökkenti az anyag alakíthatóságát.
SPS + összenyomás
80 nm-es por SPS: leveg ben HIP: Ar-ban Gubicza et al., J. Mater. Res. (2009)
Bimodális szemcseszerkezetA tömör Ni el állítása különböz részecskeméretA porok keverékének szinterelésével Nanopor (NP) Durvaszemcsés por (CP) 50 µm-es klaszterek
NP
CP
CP
33 térf. % CP + 67 térf. % NP
80 nm-es porszemcsék
5 µm-es porszemcsék
CG minta: 100% CP „A” minta: 33 térf. % CP + 67 térf. % NP „B” minta: 17 térf. % CP + 83 térf. % NP UFG minta: 100% NP A porokat rázómalomban keverték össze, majd HIP eljárással tömörítették. 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)
UFG < 1 µm CG 1 µm „A” minta
„B” minta
UFG hányad: 39 % CG hányad: 61 % CG szemcseméret: 13 µm UFG szemcseméret: 400 nm UFG hányad: 61 % CG hányad: 39 % CG szemcseméret: 7 µm UFG szemcseméret: 400 nm
A CG hányad a tömör anyagban nagyobb, mint a CP hányad a porban, mert a CP s2r2bb térkitöltés2. Az UFG komponens nagy oxidtartalmával akadályozza a CG szemcsék összenövéséhez szükséges szemcsehatármozgást („barrier” effect).
A röntgendiffrakciós Debye-Scherrer gyArAk kiértékelése „A” minta 311 reflexió 1
counts
0.1
0.01
1E-3 -0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
K [1/nm]
diszlokáció s8r8ség [1014 m-2]
ikerhatár gyakoriság N [%]
„A” minta, UFG mátrix
0.7±0.2
0.00±0.05
„B” minta, UFG mátrix
0.3±0.2
0.00±0.05
UFG minta
5.6±0.5
0.32±0.03
A szinterelés során a CP és NP részecskék találkozásánál a puhább CP részecskék könnyebben deformálódnak, mint az NP részecskék, így a CP részecskék „megvédik” az NP részecskéket a nagy deformációtól („shielding” effect).
CG minta
Nanokeménység eloszlás 20 µm 20 µm
…
…
„A” minta
…
20 x 20 benyomódás Pm=2 mN Benyomódási mélység: 100-200 nm shielding effect
„B” minta
barrier effect UFG minta
Lineáris interpolációval nem kapható meg „A” és „B” keménysége! A nanokeménységméréseket Szommer Péter végezte.
A szinterelési h mérséklet hatása Al nanoporból tömörített minták mikroszerkezetére Kiindulási por: d = 80 nm + 1-10 µm
Szinterelt anyag: d = 150 nm + 1-10 µm HIP 550 °C 250 MPa 10 h
Al
counts
10000
Al2O3
1000
100
40
60
80
100
2 theta [deg]
Al2O3 nanorészecskék kialakulása az Al porszemcsék felületén lév( amorf réteg kikristályosodásával, majd összetöredezésével.
HIP 450 °C-on: nem képz dik kristályos Al2O3 A szinterelt anyag felf2tése kaloriméterben
0
counts
10000
0
counts
Al
50 60 70 2 theta [deg]
HIP 450 °C-on
1000
100 30
40
40
50 60 70 2 theta [deg]
80
80
90
3%-os tömegcsökkenés: valószín2leg amikor az Al-hidroxidbol oxid lett, vízg(z szabadult fel
Al, HIP, 450 C, annealed up to 327 C
10000
Al2O3 Al
1000
100 30
0
0
Al, HIP, 450 C, annealed up to 627 C
90
Az amorf réteg akadályozza a tömörödést.
Dirras, Gubicza, Tingaud, Billard, Mater. Phys. Chem. 2011
Összefoglalás: • A kisebb részecskeméret2 porból szinterelt Ni kisebb szemcsemérettel és nagyobb oxidtartalommal rendelkezett, ami nagyobb szilárdságot, de kisebb alakíthatóságot eredményezett. Hasonló hatása volt a mechanikai tulajdonságokra annak is, amikor ugyanazt a részecskeméret2 port Ar véd(gáz helyett leveg(n tömörítettük. • Az SPS eljárás alkalmazása a HIP helyett Ar véd(gázban jelent(sen csökkenti a szinterelési id(t és h(mérsékletet, ami kisebb szemcsedurvulást és így nagyobb szilárdságot eredményez. • Nano- és durvaszemcsés porok keverékéb(l tömörített anyagban mindegyik komponens hatással van a másik mikroszerkezetének fejl(désére a szinterelés során. • Ajánlott az Al nanoporokat a felszíni amorf réteg kristályosodási h(mérséklete (550 °C) felett szinterelni, mert alacsonyabb h(mérsékleten az amorf réteg egy véd(burokhoz hasonlóan akadályozza a tömörödéshez szükséges Al diffúzót.
