Merci de visiter Nature.com.La version du navigateur que vous utilisez a un support CSS limité.Pour une expérience optimale, nous vous recommandons d'utiliser un navigateur mis à jour (ou de désactiver le mode de compatibilité dans Internet Explorer).En attendant, pour assurer un support continu, nous rendrons le site sans styles ni JavaScript.
Les biofilms sont un élément important dans le développement des infections chroniques, en particulier lorsqu'il s'agit de dispositifs médicaux.Ce problème représente un énorme défi pour la communauté médicale, car les antibiotiques standard ne peuvent détruire les biofilms que dans une mesure très limitée.La prévention de la formation de biofilm a conduit au développement de diverses méthodes de revêtement et de nouveaux matériaux.Ces techniques visent à recouvrir les surfaces d'une manière qui empêche la formation de biofilm.Les alliages de métaux vitreux, en particulier ceux contenant des métaux de cuivre et de titane, sont devenus des revêtements antimicrobiens idéaux.Dans le même temps, l'utilisation de la technologie de pulvérisation à froid a augmenté car il s'agit d'une méthode appropriée pour traiter les matériaux sensibles à la température.Une partie de l'objectif de cette recherche était de développer un nouveau verre métallique à film antibactérien composé de Cu-Zr-Ni ternaire en utilisant des techniques d'alliage mécanique.La poudre sphérique qui compose le produit final est utilisée comme matière première pour la projection à froid de surfaces en acier inoxydable à basse température.Les substrats revêtus de verre métallique ont pu réduire de manière significative la formation de biofilm d'au moins 1 log par rapport à l'acier inoxydable.
Tout au long de l'histoire de l'humanité, toute société a su se développer et favoriser l'introduction de nouveaux matériaux pour répondre à ses besoins spécifiques, ce qui s'est traduit par une productivité accrue et un classement dans une économie mondialisée1.Il a toujours été attribué à la capacité humaine de concevoir des matériaux et des équipements de fabrication, ainsi que des conceptions pour fabriquer et caractériser des matériaux pour atteindre la santé, l'éducation, l'industrie, l'économie, la culture et d'autres domaines d'un pays ou d'une région à l'autre.Les progrès sont mesurés quel que soit le pays ou la région2.Depuis 60 ans, les scientifiques des matériaux ont consacré beaucoup de temps à une tâche principale : la recherche de matériaux nouveaux et avancés.Des recherches récentes se sont concentrées sur l'amélioration de la qualité et des performances des matériaux existants, ainsi que sur la synthèse et l'invention de types de matériaux entièrement nouveaux.
L'ajout d'éléments d'alliage, la modification de la microstructure du matériau et l'application de méthodes de traitement thermique, mécanique ou thermomécanique ont conduit à une amélioration significative des propriétés mécaniques, chimiques et physiques de divers matériaux.De plus, des composés jusqu'ici inconnus ont été synthétisés avec succès.Ces efforts persistants ont donné naissance à une nouvelle famille de matériaux innovants collectivement connus sous le nom de Advanced Materials2.Les nanocristaux, les nanoparticules, les nanotubes, les points quantiques, les verres métalliques amorphes de dimension zéro et les alliages à haute entropie ne sont que quelques exemples de matériaux avancés apparus dans le monde depuis le milieu du siècle dernier.Dans la fabrication et le développement de nouveaux alliages aux propriétés améliorées, tant dans le produit final que dans les étapes intermédiaires de sa production, le problème du déséquilibre s'ajoute souvent.Suite à l'introduction de nouvelles techniques de fabrication qui permettent des écarts importants par rapport à l'équilibre, une toute nouvelle classe d'alliages métastables, appelés verres métalliques, a été découverte.
Son travail à Caltech en 1960 a révolutionné le concept des alliages métalliques lorsqu'il a synthétisé des alliages vitreux Au-25 at.% Si en solidifiant rapidement des liquides à près d'un million de degrés par seconde.4 La découverte du professeur Paul Duves a non seulement marqué le début de l'histoire des verres métalliques (MS), mais a également conduit à un changement de paradigme dans la façon dont les gens pensent aux alliages métalliques.Depuis les toutes premières recherches pionnières dans la synthèse des alliages MS, presque tous les verres métalliques ont été entièrement obtenus en utilisant l'une des méthodes suivantes : (i) solidification rapide de la masse fondue ou de la vapeur, (ii) désordre du réseau atomique, (iii) réactions d'amorphisation à l'état solide entre des éléments métalliques purs et (iv) transitions de phase solide de phases métastables.
Les MG se distinguent par l'absence d'ordre atomique à longue portée associé aux cristaux, qui est une caractéristique déterminante des cristaux.Dans le monde moderne, de grands progrès ont été réalisés dans le domaine du verre métallique.Ce sont de nouveaux matériaux aux propriétés intéressantes qui intéressent non seulement la physique du solide, mais aussi la métallurgie, la chimie des surfaces, la technologie, la biologie et bien d'autres domaines.Ce nouveau type de matériau possède des propriétés différentes des métaux durs, ce qui en fait un candidat intéressant pour des applications technologiques dans des domaines variés.Ils ont des propriétés importantes : (i) une ductilité mécanique et une limite d'élasticité élevées, (ii) une perméabilité magnétique élevée, (iii) une faible coercivité, (iv) une résistance à la corrosion inhabituelle, (v) une indépendance vis-à-vis de la température.Conductivité 6.7.
L'alliage mécanique (MA)1,8 est une méthode relativement nouvelle, introduite pour la première fois en 19839 par le professeur KK Kok et ses collègues.Ils ont produit des poudres Ni60Nb40 amorphes en broyant un mélange d'éléments purs à température ambiante très proche de la température ambiante.Typiquement, la réaction MA est réalisée entre le collage par diffusion de poudres de réactifs dans un réacteur, généralement en acier inoxydable, dans un broyeur à boulets.10 (Fig. 1a, b).Depuis lors, cette méthode de réaction à l'état solide induite mécaniquement a été utilisée pour préparer de nouvelles poudres d'alliage de verre amorphe/métallique à l'aide de broyeurs à boulets et à barres à faible (Fig. 1c) et à haute énergie11,12,13,14,15,16.En particulier, cette méthode a été utilisée pour préparer des systèmes non miscibles tels que Cu-Ta17 ainsi que des alliages à point de fusion élevé tels que les systèmes Al-métal de transition (TM, Zr, Hf, Nb et Ta)18,19 et Fe-W20., qui ne peuvent pas être obtenus avec les méthodes de cuisson conventionnelles.En outre, la MA est considérée comme l'un des outils nanotechnologiques les plus puissants pour la production à l'échelle industrielle de particules de poudre nanocristallines et nanocomposites d'oxydes métalliques, de carbures, de nitrures, d'hydrures, de nanotubes de carbone, de nanodiamants, ainsi que pour une large stabilisation à l'aide d'une approche descendante.stades 1 et métastable.
Schéma montrant la méthode de fabrication utilisée pour préparer le revêtement de verre métallique Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 dans cette étude.(a) Préparation de poudres d'alliage MC avec différentes concentrations de Ni x (x; 10, 20, 30 et 40 at.%) en utilisant la méthode de broyage à billes à basse énergie.(a) Le matériau de départ est chargé dans un cylindre d'outil avec des billes d'acier à outils et (b) scellé dans une boîte à gants remplie d'atmosphère He.(c) Modèle transparent du récipient de broyage illustrant le mouvement de la bille pendant le broyage.Le produit pulvérulent final obtenu après 50 heures a été utilisé pour revêtir par pulvérisation à froid le substrat SUS 304 (d).
En ce qui concerne les surfaces de matériaux en vrac (substrats), l'ingénierie de surface implique la conception et la modification des surfaces (substrats) pour fournir certaines propriétés physiques, chimiques et techniques qui ne sont pas présentes dans le matériau en vrac d'origine.Certaines des propriétés qui peuvent être efficacement améliorées grâce au traitement de surface comprennent la résistance à l'abrasion, à l'oxydation et à la corrosion, le coefficient de frottement, la bioinertie, les propriétés électriques et l'isolation thermique, pour n'en nommer que quelques-unes.La qualité de surface peut être améliorée par des méthodes métallurgiques, mécaniques ou chimiques.En tant que procédé bien connu, le revêtement est simplement défini comme une ou plusieurs couches de matériau appliquées artificiellement à la surface d'un objet massif (substrat) fabriqué à partir d'un autre matériau.Ainsi, les revêtements sont utilisés en partie pour obtenir les propriétés techniques ou décoratives souhaitées, ainsi que pour protéger les matériaux des interactions chimiques et physiques attendues avec l'environnement23.
Diverses méthodes et techniques peuvent être utilisées pour appliquer des couches de protection appropriées allant de quelques micromètres (inférieurs à 10-20 micromètres) à plus de 30 micromètres, voire plusieurs millimètres d'épaisseur.En général, les procédés de revêtement peuvent être divisés en deux catégories : (i) les méthodes de revêtement humide, y compris la galvanoplastie, la galvanoplastie et la galvanisation à chaud, et (ii) les méthodes de revêtement à sec, y compris le soudage, le rechargement, le dépôt physique en phase vapeur (PVD).), le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), les techniques de pulvérisation thermique et, plus récemment, les techniques de pulvérisation à froid 24 (Figure 1d).
Les biofilms sont définis comme des communautés microbiennes qui sont fixées de manière irréversible aux surfaces et entourées de polymères extracellulaires autoproduits (EPS).La formation d'un biofilm superficiellement mature peut entraîner des pertes importantes dans de nombreuses industries, notamment la transformation des aliments, les systèmes d'approvisionnement en eau et les soins de santé.Chez l'homme, avec la formation de biofilms, plus de 80% des cas d'infections microbiennes (dont Enterobacteriaceae et Staphylococci) sont difficiles à traiter.De plus, les biofilms matures seraient 1000 fois plus résistants au traitement antibiotique par rapport aux cellules bactériennes planctoniques, ce qui est considéré comme un défi thérapeutique majeur.Historiquement, des matériaux de revêtement de surface antimicrobiens dérivés de composés organiques courants ont été utilisés.Bien que ces matériaux contiennent souvent des composants toxiques potentiellement nocifs pour les humains,25,26 cela peut aider à éviter la transmission bactérienne et la dégradation des matériaux.
La résistance bactérienne généralisée au traitement antibiotique en raison de la formation de biofilm a conduit à la nécessité de développer une surface revêtue d'une membrane antimicrobienne efficace qui peut être appliquée en toute sécurité27.Le développement d'une surface anti-adhésive physique ou chimique à laquelle les cellules bactériennes ne peuvent pas se lier et former des biofilms en raison de l'adhésion est la première approche de ce processus27.La deuxième technologie consiste à développer des revêtements qui délivrent des produits chimiques antimicrobiens exactement là où ils sont nécessaires, en quantités hautement concentrées et adaptées.Ceci est réalisé grâce au développement de matériaux de revêtement uniques tels que le graphène/germanium28, le diamant noir29 et les revêtements de carbone de type diamant dopés au ZnO30 qui sont résistants aux bactéries, une technologie qui maximise le développement de la toxicité et de la résistance dues à la formation de biofilm.De plus, les revêtements contenant des produits chimiques germicides qui offrent une protection à long terme contre la contamination bactérienne deviennent de plus en plus populaires.Alors que les trois procédures sont capables d'exercer une activité antimicrobienne sur les surfaces revêtues, chacune a son propre ensemble de limites qui doivent être prises en compte lors de l'élaboration d'une stratégie d'application.
Les produits actuellement sur le marché sont entravés par le manque de temps pour analyser et tester les revêtements protecteurs pour les ingrédients biologiquement actifs.Les entreprises affirment que leurs produits offriront aux utilisateurs les aspects fonctionnels souhaités, mais cela est devenu un obstacle au succès des produits actuellement sur le marché.Les composés dérivés de l'argent sont utilisés dans la grande majorité des antimicrobiens actuellement disponibles pour les consommateurs.Ces produits sont conçus pour protéger les utilisateurs d'une exposition potentiellement dangereuse aux micro-organismes.L'effet antimicrobien retardé et la toxicité associée des composés d'argent augmentent la pression sur les chercheurs pour développer une alternative moins nocive36,37.Créer un revêtement antimicrobien global qui fonctionne à l'intérieur comme à l'extérieur reste un défi.Cela s'accompagne de risques pour la santé et la sécurité.Découvrir un agent antimicrobien moins nocif pour l'homme et comprendre comment l'incorporer dans des substrats de revêtement avec une durée de conservation plus longue est un objectif très recherché38.Les derniers matériaux antimicrobiens et antibiofilm sont conçus pour tuer les bactéries à courte portée, soit par contact direct, soit après la libération de l'agent actif.Ils peuvent le faire en inhibant l'adhésion bactérienne initiale (y compris en empêchant la formation d'une couche de protéines à la surface) ou en tuant les bactéries en interférant avec la paroi cellulaire.
Essentiellement, le revêtement de surface est le processus d'application d'une autre couche à la surface d'un composant pour améliorer les caractéristiques de surface.Le but d'un revêtement de surface est de modifier la microstructure et/ou la composition de la région proche de la surface d'un composant39.Les méthodes de revêtement de surface peuvent être divisées en différentes méthodes, qui sont résumées à la Fig. 2a.Les revêtements peuvent être divisés en catégories thermiques, chimiques, physiques et électrochimiques selon la méthode utilisée pour créer le revêtement.
(a) Un encart montrant les principales techniques de fabrication de surface, et (b) certains avantages et inconvénients de la méthode de pulvérisation à froid.
La technologie de pulvérisation à froid a beaucoup en commun avec les techniques traditionnelles de pulvérisation thermique.Cependant, certaines propriétés fondamentales clés rendent le processus de pulvérisation à froid et les matériaux de pulvérisation à froid particulièrement uniques.La technologie de pulvérisation à froid en est encore à ses balbutiements, mais elle a un bel avenir.Dans certains cas, les propriétés uniques de la projection à froid offrent de grands avantages, surmontant les limites des techniques de projection thermique conventionnelles.Il surmonte les limitations importantes de la technologie de pulvérisation thermique traditionnelle, dans laquelle la poudre doit être fondue pour être déposée sur un substrat.Évidemment, ce procédé de revêtement traditionnel n'est pas adapté aux matériaux très sensibles à la température tels que les nanocristaux, les nanoparticules, les verres amorphes et métalliques40, 41, 42. De plus, les matériaux de revêtement par projection thermique ont toujours un niveau élevé de porosité et d'oxydes.La technologie de pulvérisation à froid présente de nombreux avantages significatifs par rapport à la technologie de pulvérisation thermique, tels que (i) apport de chaleur minimal au substrat, (ii) flexibilité dans le choix du revêtement du substrat, (iii) absence de transformation de phase et de croissance de grain, (iv) force d'adhérence élevée1 .39 (Fig. 2b).De plus, les matériaux de revêtement par pulvérisation à froid ont une résistance élevée à la corrosion, une résistance et une dureté élevées, une conductivité électrique élevée et une densité élevée41.Malgré les avantages du procédé de pulvérisation à froid, cette méthode présente encore quelques inconvénients, comme le montre la figure 2b.Lors du revêtement de poudres céramiques pures telles que Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, etc., la méthode de pulvérisation à froid ne peut pas être utilisée.D'autre part, les poudres composites céramique/métal peuvent être utilisées comme matières premières pour les revêtements.Il en va de même pour les autres méthodes de projection thermique.Les surfaces difficiles et l'intérieur des tuyaux sont toujours difficiles à pulvériser.
Considérant que le présent travail est orienté vers l'utilisation de poudres vitreuses métalliques comme matières premières pour des revêtements, il est clair que la projection thermique classique ne peut pas être utilisée à cette fin.Cela est dû au fait que les poudres vitreuses métalliques cristallisent à haute température1.
La plupart des instruments utilisés dans les industries médicales et alimentaires sont fabriqués à partir d'alliages d'acier inoxydable austénitique (SUS316 et SUS304) avec une teneur en chrome de 12 à 20 % en poids pour la production d'instruments chirurgicaux.Il est généralement admis que l'utilisation de chrome métallique comme élément d'alliage dans les alliages d'acier peut améliorer de manière significative la résistance à la corrosion des alliages d'acier standard.Les alliages d'acier inoxydable, malgré leur haute résistance à la corrosion, n'ont pas de propriétés antimicrobiennes significatives38,39.Cela contraste avec leur haute résistance à la corrosion.Après cela, il est possible de prédire le développement d'infections et d'inflammations, qui sont principalement dues à l'adhésion et à la colonisation bactériennes à la surface des biomatériaux en acier inoxydable.Des difficultés importantes peuvent survenir en raison des difficultés importantes liées aux voies d'adhésion bactérienne et de formation de biofilm, qui peuvent conduire à une mauvaise santé, ce qui peut avoir de nombreuses conséquences pouvant affecter directement ou indirectement la santé humaine.
Cette étude est la première phase d'un projet financé par la Fondation koweïtienne pour l'avancement des sciences (KFAS), contrat no.2010-550401, pour étudier la faisabilité de produire des poudres ternaires métalliques vitreuses Cu-Zr-Ni en utilisant la technologie MA (tableau).1) Pour la production de film/revêtement antibactérien de protection de surface SUS304.La deuxième phase du projet, qui doit démarrer en janvier 2023, étudiera en détail les caractéristiques de corrosion galvanique et les propriétés mécaniques du système.Des tests microbiologiques détaillés pour différents types de bactéries seront effectués.
Cet article traite de l'effet de la teneur en alliage Zr sur la capacité de formage du verre (GFA) en fonction des caractéristiques morphologiques et structurelles.En outre, les propriétés antibactériennes du composite verre métallisé revêtu de poudre/SUS304 ont également été discutées.En outre, des travaux en cours ont été menés pour étudier la possibilité d'une transformation structurelle des poudres de verre métallique se produisant lors de la pulvérisation à froid dans la région liquide surfondue des systèmes de verre métallique fabriqués.Les alliages de verre métalliques Cu50Zr30Ni20 et Cu50Zr20Ni30 ont été utilisés comme exemples représentatifs dans cette étude.
Cette section présente les changements morphologiques des poudres de Cu, Zr et Ni élémentaires lors du broyage à billes à basse énergie.Deux systèmes différents constitués de Cu50Zr20Ni30 et Cu50Zr40Ni10 seront utilisés comme exemples illustratifs.Le procédé MA peut être divisé en trois étapes distinctes, comme en témoigne la caractérisation métallographique de la poudre obtenue lors de l'étape de broyage (Fig. 3).
Caractéristiques métallographiques de poudres d'alliages mécaniques (AM) obtenues après différentes étapes de broyage à billes.Les images de microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) des poudres MA et Cu50Zr40Ni10 obtenues après un broyage à billes à basse énergie pendant 3, 12 et 50 heures sont présentées en (a), (c) et (e) pour le système Cu50Zr20Ni30, alors que sur le même MA.Les images correspondantes du système Cu50Zr40Ni10 prises après le temps sont présentées en (b), (d) et (f).
Pendant le broyage à boulets, l'énergie cinétique effective qui peut être transférée à la poudre métallique est affectée par une combinaison de paramètres, comme le montre la Fig. 1a.Cela comprend les collisions entre les billes et les poudres, la compression par cisaillement de la poudre coincée entre ou entre les milieux de broyage, les impacts des chutes de billes, le cisaillement et l'usure causés par la traînée de poudre entre les corps mobiles d'un broyeur à boulets et une onde de choc traversant les billes qui tombent se propageant à travers la culture chargée (Fig. 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней с тадии МА (3 ч), что привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). Les poudres élémentaires de Cu, Zr et Ni ont été fortement déformées en raison du soudage à froid à un stade précoce de MA (3 h), ce qui a conduit à la formation de grosses particules de poudre (> 1 mm de diamètre).Ces grosses particules composites se caractérisent par la formation de couches épaisses d'éléments d'alliage (Cu, Zr, Ni), comme le montre la fig.3a,b.Une augmentation du temps MA à 12 h (étape intermédiaire) a entraîné une augmentation de l'énergie cinétique du broyeur à boulets, ce qui a entraîné la décomposition de la poudre composite en poudres plus petites (moins de 200 μm), comme le montre la Fig. 3c, ville .À ce stade, la force de cisaillement appliquée conduit à la formation d'une nouvelle surface métallique avec de fines couches de Cu, Zr, Ni, comme illustré sur les Fig. 3c, d.Du fait du broyage des couches à l'interface des paillettes, des réactions en phase solide se produisent avec formation de nouvelles phases.
Au point culminant du processus MA (après 50 h), la métallographie des paillettes était à peine perceptible (Fig. 3e, f) et une métallographie miroir a été observée sur la surface polie de la poudre.Cela signifie que le processus MA a été achevé et qu'une seule phase de réaction a été créée.La composition élémentaire des régions indiquées dans les Fig.3e (I, II, III), f, v, vi) ont été déterminés en utilisant la microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) en combinaison avec la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS).(IV).
En tableau.2 concentrations élémentaires d'éléments d'alliage sont indiquées en pourcentage de la masse totale de chaque région sélectionnée dans la fig.3e, f.La comparaison de ces résultats avec les compositions nominales initiales de Cu50Zr20Ni30 et Cu50Zr40Ni10 données dans le tableau 1 montre que les compositions de ces deux produits finaux sont très proches des compositions nominales.De plus, les valeurs relatives des composants pour les régions répertoriées à la Fig. 3e, f ne suggèrent pas de détérioration ou de variation significative de la composition de chaque échantillon d'une région à l'autre.En témoigne le fait qu'il n'y a pas de changement de composition d'une région à l'autre.Cela indique la production de poudres d'alliage uniformes comme indiqué dans le tableau 2.
Des micrographies FE-SEM de la poudre de produit final Cu50 (Zr50-xNix) ont été obtenues après 50 MA fois, comme le montre la Fig. 4a-d, où x est de 10, 20, 30 et 40 at.%, respectivement.Après cette étape de broyage, la poudre s'agrège par effet van der Waals, ce qui conduit à la formation de gros agrégats constitués de particules ultrafines d'un diamètre de 73 à 126 nm, comme le montre la figure 4.
Caractéristiques morphologiques des poudres Cu50(Zr50-xNix) obtenues après MA 50 heures.Pour les systèmes Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, les images FE-SEM des poudres obtenues après 50 MA sont présentées en (a), (b), (c) et (d), respectivement.
Avant de charger les poudres dans le dispositif d'alimentation par pulvérisation à froid, elles ont d'abord été soniquées dans de l'éthanol de qualité analytique pendant 15 minutes puis séchées à 150°C pendant 2 heures.Cette étape doit être franchie pour lutter avec succès contre l'agglomération, qui cause souvent de nombreux problèmes sérieux dans le processus de revêtement.Après l'achèvement du processus MA, d'autres études ont été menées pour étudier l'homogénéité des poudres d'alliage.Sur la fig.5a – d montrent des micrographies FE-SEM et des images EDS correspondantes des éléments d'alliage Cu, Zr et Ni de l'alliage Cu50Zr30Ni20 prises après 50 h de temps M, respectivement.Il convient de noter que les poudres d'alliage obtenues après cette étape sont homogènes, car elles ne présentent aucune fluctuation de composition au-delà du niveau sub-nanométrique, comme le montre la figure 5.
Morphologie et distribution locale des éléments dans la poudre MG Cu50Zr30Ni20 obtenue après 50 MA par FE-SEM/spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS).( a ) Imagerie SEM et EDS à rayons X de ( b ) Cu-Kα, ( c ) Zr-Lα et ( d ) Ni-Kα.
Les diagrammes de diffraction des rayons X des poudres de Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 et Cu50Zr20Ni30 alliés mécaniquement obtenus après MA de 50 heures sont présentés sur les Fig.6a–d, respectivement.Après cette étape de broyage, tous les échantillons avec différentes concentrations de Zr avaient des structures amorphes avec des modèles de diffusion de halo caractéristiques illustrés à la Fig. 6.
Diagrammes de diffraction des rayons X des poudres Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) et Cu50Zr20Ni30 (d) après MA pendant 50 h.Un motif de halo-diffusion a été observé dans tous les échantillons sans exception, indiquant la formation d'une phase amorphe.
La microscopie électronique à transmission par émission de champ à haute résolution (FE-HRTEM) a été utilisée pour observer les changements structurels et comprendre la structure locale des poudres résultant du broyage à boulets à différents temps MA.Les images des poudres obtenues par la méthode FE-HRTEM après les étapes précoce (6 h) et intermédiaire (18 h) du broyage des poudres Cu50Zr30Ni20 et Cu50Zr40Ni10 sont présentées sur les Fig.7a, respectivement.Selon l'image en fond clair (BFI) de la poudre obtenue après 6 h de MA, la poudre est constituée de gros grains avec des limites clairement définies des éléments fcc-Cu, hcp-Zr et fcc-Ni, et il n'y a aucun signe de la formation d'une phase de réaction, comme le montre la figure 7a.De plus, un diagramme de diffraction de zone sélectionnée corrélé (SADP) prélevé dans la région médiane (a) a révélé un diagramme de diffraction net (Fig. 7b) indiquant la présence de gros cristallites et l'absence de phase réactive.
Caractéristiques structurales locales de la poudre de MA obtenues après les étapes précoce (6 h) et intermédiaire (18 h).( a ) Microscopie électronique à transmission à émission de champ haute résolution (FE-HRTEM) et ( b ) diffractogramme de zone sélectionnée correspondant (SADP) de poudre Cu50Zr30Ni20 après traitement MA pendant 6 heures.L'image FE-HRTEM de Cu50Zr40Ni10 obtenue après MA de 18 heures est montrée en (c).
Comme le montre la fig.7c, une augmentation de la durée de MA à 18 h a entraîné de graves défauts de réseau en combinaison avec une déformation plastique.À ce stade intermédiaire du processus MA, divers défauts apparaissent dans la poudre, notamment des défauts d'empilement, des défauts de réseau et des défauts ponctuels (Fig. 7).Ces défauts provoquent la fragmentation des gros grains le long des joints de grains en sous-grains de taille inférieure à 20 nm (Fig. 7c).
La structure locale de la poudre de Cu50Z30Ni20 broyée pendant 36 h MA est caractérisée par la formation de nanograins ultrafins noyés dans une matrice mince amorphe, comme le montre la Fig. 8a.Une analyse locale de l'EMF a montré que les nanoclusters représentés sur les Fig.8a sont associés à des alliages de poudre de Cu, Zr et Ni non traités.La teneur en Cu dans la matrice varie de ~32 at.% (zone pauvre) à ~74 at.% (zone riche), ce qui indique la formation de produits hétérogènes.De plus, les SADP correspondants des poudres obtenues après broyage dans cette étape montrent des anneaux de phase amorphe à diffusion halo primaire et secondaire se chevauchant avec des pointes acérées associées à ces éléments d'alliage non traités, comme le montre la figure 8b.
Caractéristiques structurelles locales à l'échelle nanométrique de la poudre Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20.( a ) Image en champ clair (BFI) et SADP correspondante ( b ) de poudre de Cu50Zr30Ni20 obtenue après broyage pendant 36 h MA.
Vers la fin du processus MA (50 h), les poudres Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 et 40 at.%, sans exception, ont une morphologie labyrinthique de la phase amorphe, comme le montre la Fig. .Ni la diffraction ponctuelle ni les motifs annulaires nets n'ont pu être détectés dans le SADS correspondant de chaque composition.Ceci indique l'absence de métal cristallin non traité, mais plutôt la formation d'une poudre d'alliage amorphe.Ces SADP corrélés montrant des modèles de diffusion de halo ont également été utilisés comme preuve du développement de phases amorphes dans le matériau du produit final.
Structure locale du produit final du système Cu50 MS (Zr50-xNix).FE-HRTEM et schémas de diffraction de nanofaisceaux corrélés (NBDP) de (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 et (d) Cu50Zr10Ni40 obtenus après 50 h de MA.
En utilisant la calorimétrie à balayage différentiel, la stabilité thermique de la température de transition vitreuse (Tg), de la région liquide surfondue (ΔTx) et de la température de cristallisation (Tx) a été étudiée en fonction de la teneur en Ni (x) dans le système amorphe Cu50(Zr50-xNix).(DSC) dans le flux de gaz He.Les courbes DSC des poudres d'alliages amorphes Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 et Cu50Zr10Ni40 obtenues après MA pendant 50 h sont présentées sur les Fig.10a, b, e, respectivement.Alors que la courbe DSC de Cu50Zr20Ni30 amorphe est montrée séparément sur la Fig. 10ème siècle Pendant ce temps, un échantillon de Cu50Zr30Ni20 chauffé à ~ 700 ° C en DSC est montré sur la Fig. 10g.
La stabilité thermique des poudres de Cu50(Zr50-xNix) MG obtenues après MA pendant 50 heures est déterminée par la température de transition vitreuse (Tg), la température de cristallisation (Tx) et la région liquide surfondue (ΔTx).Thermogrammes de poudres de calorimètre à balayage différentiel (DSC) de poudres d'alliage Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) et (e) Cu50Zr10Ni40 MG après MA pendant 50 heures.Un diagramme de diffraction des rayons X (DRX) d'un échantillon de Cu50Zr30Ni20 chauffé à ~ 700 ° C en DSC est illustré en (d).
Comme le montre la figure 10, les courbes DSC pour toutes les compositions avec différentes concentrations de nickel (x) indiquent deux cas différents, l'un endothermique et l'autre exothermique.Le premier événement endothermique correspond à Tg, et le second est associé à Tx.La zone de portée horizontale qui existe entre Tg et Tx est appelée zone de liquide sous-refroidi (ΔTx = Tx – Tg).Les résultats montrent que la Tg et la Tx de l'échantillon Cu50Zr40Ni10 (Fig. 10a) placé à 526°C et 612°C déplacent la teneur (x) jusqu'à 20 at % vers le côté basse température de 482°C et 563°C.°C avec augmentation de la teneur en Ni (x), respectivement, comme le montre la figure 10b.Par conséquent, ΔTx Cu50Zr40Ni10 diminue de 86°С (Fig. 10a) à 81°С pour Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b).Pour l'alliage MC Cu50Zr40Ni10, une diminution des valeurs de Tg, Tx et ΔTx aux niveaux de 447°С, 526°С et 79°С a également été observée (Fig. 10b).Cela indique qu'une augmentation de la teneur en Ni entraîne une diminution de la stabilité thermique de l'alliage MS.Au contraire, la valeur de Tg (507 °C) de l'alliage MC Cu50Zr20Ni30 est inférieure à celle de l'alliage MC Cu50Zr40Ni10 ;néanmoins, son Tx affiche une valeur comparable à celle-ci (612 °C).Par conséquent, ΔTx a une valeur plus élevée (87°C) comme le montre la fig.10ème siècle
Le système Cu50 (Zr50-xNix) MC, utilisant l'alliage Cu50Zr20Ni30 MC comme exemple, cristallise à travers un pic exothermique net en phases cristallines fcc-ZrCu5, orthorhombique-Zr7Cu10 et orthorhombique-ZrNi (Fig. 10c).Cette transition de phase d'amorphe à cristallin a été confirmée par analyse par diffraction des rayons X de l'échantillon MG (Fig. 10d) qui a été chauffé à 700 ° C en DSC.
Sur la fig.11 montre des photographies prises pendant le processus de pulvérisation à froid effectué dans les travaux en cours.Dans cette étude, des particules de poudre vitreuse métallique synthétisées après MA pendant 50 heures (en utilisant Cu50Zr20Ni30 comme exemple) ont été utilisées comme matière première antibactérienne, et une plaque en acier inoxydable (SUS304) a été enduite par pulvérisation à froid.La méthode de pulvérisation à froid a été choisie pour le revêtement dans la série de technologies de pulvérisation thermique car c'est la méthode la plus efficace de la série de technologies de pulvérisation thermique où elle peut être utilisée pour les matériaux métalliques métastables sensibles à la chaleur tels que les poudres amorphes et nanocristallines.Non soumis à la phase.transitions.C'est le facteur principal dans le choix de cette méthode.Le processus de dépôt à froid est réalisé à l'aide de particules à grande vitesse qui convertissent l'énergie cinétique des particules en déformation plastique, déformation et chaleur lors de l'impact avec le substrat ou les particules préalablement déposées.
Des photographies de terrain montrent la procédure de pulvérisation à froid utilisée pour cinq préparations successives de MG/SUS 304 à 550°C.
L'énergie cinétique des particules, ainsi que la quantité de mouvement de chaque particule lors de la formation du revêtement, doivent être converties en d'autres formes d'énergie par des mécanismes tels que la déformation plastique (particules primaires et interactions interparticulaires dans la matrice et interactions des particules), les nœuds interstitiels de solides, la rotation entre les particules, la déformation et l'échauffement limite 39. De plus, si toute l'énergie cinétique entrante n'est pas convertie en énergie thermique et en énergie de déformation, le résultat sera une collision élastique, ce qui signifie que les particules rebondissent simplement après l'impact.Il a été noté que 90 % de l'énergie d'impact appliquée au matériau particule/substrat est convertie en chaleur locale 40 .De plus, lorsqu'une contrainte d'impact est appliquée, des taux de déformation plastique élevés sont atteints dans la région de contact particule/substrat en un temps très court41,42.
La déformation plastique est généralement considérée comme un processus de dissipation d'énergie, ou plutôt comme une source de chaleur dans la région interfaciale.Cependant, l'augmentation de la température dans la région interfaciale n'est généralement pas suffisante pour l'apparition d'une fusion interfaciale ou d'une stimulation significative de la diffusion mutuelle des atomes.Aucune publication connue des auteurs n'a étudié l'effet des propriétés de ces poudres vitreuses métalliques sur l'adhésion et la sédimentation des poudres lors de l'utilisation des techniques de pulvérisation à froid.
Le BFI de la poudre d'alliage MG Cu50Zr20Ni30 est visible sur la Fig. 12a, qui a été déposée sur le substrat SUS 304 (Fig. 11, 12b).Comme on peut le voir sur la figure, les poudres enrobées conservent leur structure amorphe d'origine car elles ont une structure en labyrinthe délicate sans aucune caractéristique cristalline ni défaut de réseau.D'autre part, l'image indique la présence d'une phase étrangère, comme en témoignent les nanoparticules incluses dans la matrice de poudre enrobée de MG (Fig. 12a).La figure 12c montre le diagramme de diffraction du nanofaisceau indexé (NBDP) associé à la région I (figure 12a).Comme le montre la fig.12c, le NBDP présente un faible motif de diffusion d'halo de structure amorphe et coexiste avec des taches nettes correspondant à une grande phase cristalline cubique métastable de Zr2Ni plus une phase tétragonale de CuO.La formation de CuO peut s'expliquer par l'oxydation de la poudre lors du passage de la buse du pistolet de pulvérisation au SUS 304 à l'air libre dans un flux supersonique.D'autre part, la dévitrification des poudres vitreuses métalliques a entraîné la formation de grandes phases cubiques après un traitement par pulvérisation à froid à 550°C pendant 30 min.
(a) Image FE-HRTEM de poudre MG déposée sur (b) substrat SUS 304 (Figure en médaillon).L'indice NBDP du symbole rond représenté en (a) est représenté en (c).
Pour tester ce mécanisme potentiel de formation de grandes nanoparticules cubiques de Zr2Ni, une expérience indépendante a été réalisée.Dans cette expérience, des poudres ont été pulvérisées à partir d'un atomiseur à 550°C en direction du substrat SUS 304 ;cependant, pour déterminer l'effet de recuit, les poudres ont été retirées de la bande SUS304 aussi rapidement que possible (environ 60 s).).Une autre série d'expériences a été réalisée dans laquelle la poudre a été retirée du substrat environ 180 secondes après l'application.
Les figures 13a, b montrent des images de champ sombre (DFI) de microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) de deux matériaux pulvérisés déposés sur des substrats SUS 304 pendant 60 s et 180 s, respectivement.L'image de poudre déposée pendant 60 secondes manque de détails morphologiques, montrant l'absence de traits (Fig. 13a).Cela a également été confirmé par XRD, qui a montré que la structure globale de ces poudres était amorphe, comme indiqué par les larges pics de diffraction primaire et secondaire représentés sur la figure 14a.Cela indique l'absence de précipités métastables/mésophases, dans lesquels la poudre conserve sa structure amorphe d'origine.En revanche, la poudre déposée à la même température (550 ° C) mais laissée sur le substrat pendant 180 s a montré le dépôt de grains nanométriques, comme indiqué par les flèches sur la figure 13b.