Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.De browserversie die u gebruikt heeft beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of Compatibiliteitsmodus uit te schakelen in Internet Explorer).In de tussentijd zullen we, om voortdurende ondersteuning te garanderen, de site weergeven zonder stijlen en JavaScript.
Biofilms zijn een belangrijk onderdeel in de ontwikkeling van chronische infecties, vooral als het gaat om medische hulpmiddelen.Dit probleem vormt een enorme uitdaging voor de medische gemeenschap, aangezien standaardantibiotica slechts in zeer beperkte mate biofilms kunnen vernietigen.Het voorkomen van biofilmvorming heeft geleid tot de ontwikkeling van verschillende coatingmethoden en nieuwe materialen.Deze technieken hebben tot doel oppervlakken te coaten op een manier die biofilmvorming voorkomt.Glasachtige metaallegeringen, vooral die met koper- en titaniummetalen, zijn ideale antimicrobiële coatings geworden.Tegelijkertijd is het gebruik van cold spray-technologie toegenomen, omdat het een geschikte methode is voor het verwerken van temperatuurgevoelige materialen.Een deel van het doel van dit onderzoek was het ontwikkelen van een nieuwe antibacteriële film metallisch glas samengesteld uit Cu-Zr-Ni ternair met behulp van mechanische legeringstechnieken.Het sferische poeder dat het eindproduct vormt, wordt gebruikt als grondstof voor het koud spuiten van roestvrijstalen oppervlakken bij lage temperaturen.Met metaalglas gecoate substraten waren in staat om biofilmvorming aanzienlijk te verminderen met minstens 1 log in vergelijking met roestvrij staal.
In de loop van de geschiedenis van de mensheid is elke samenleving in staat geweest om nieuwe materialen te ontwikkelen en te promoten om aan haar specifieke eisen te voldoen, wat resulteerde in een hogere productiviteit en positie in een geglobaliseerde economie1.Het is altijd toegeschreven aan het menselijk vermogen om materialen en productieapparatuur te ontwerpen, evenals ontwerpen om materialen te vervaardigen en te karakteriseren om gezondheid, onderwijs, industrie, economie, cultuur en andere gebieden van het ene land of de andere regio te bereiken.Vooruitgang wordt gemeten ongeacht land of regio2.Al 60 jaar besteden materiaalwetenschappers veel tijd aan één hoofdtaak: het zoeken naar nieuwe en geavanceerde materialen.Recent onderzoek heeft zich gericht op het verbeteren van de kwaliteit en prestaties van bestaande materialen, evenals het synthetiseren en uitvinden van geheel nieuwe soorten materialen.
De toevoeging van legeringselementen, de wijziging van de microstructuur van het materiaal en de toepassing van thermische, mechanische of thermomechanische behandelingsmethoden hebben geleid tot een aanzienlijke verbetering van de mechanische, chemische en fysische eigenschappen van verschillende materialen.Bovendien zijn tot nu toe onbekende verbindingen met succes gesynthetiseerd.Deze aanhoudende inspanningen hebben geleid tot een nieuwe familie van innovatieve materialen die gezamenlijk bekend staan ​​als Advanced Materials2.Nanokristallen, nanodeeltjes, nanobuisjes, kwantumdots, nul-dimensionale, amorfe metaalglazen en legeringen met een hoge entropie zijn slechts enkele voorbeelden van geavanceerde materialen die sinds het midden van de vorige eeuw in de wereld zijn verschenen.Bij de vervaardiging en ontwikkeling van nieuwe legeringen met verbeterde eigenschappen, zowel in het eindproduct als in de tussenliggende stadia van de productie, wordt vaak het probleem van onbalans toegevoegd.Als resultaat van de introductie van nieuwe fabricagetechnieken die aanzienlijke afwijkingen van het evenwicht mogelijk maken, is een geheel nieuwe klasse van metastabiele legeringen ontdekt, bekend als metaalglas.
Zijn werk bij Caltech in 1960 bracht een revolutie teweeg in het concept van metaallegeringen toen hij Au-25 at.% Si glasachtige legeringen synthetiseerde door vloeistoffen snel te laten stollen met bijna een miljoen graden per seconde.4 De ontdekking van professor Paul Duves markeerde niet alleen het begin van de geschiedenis van metalen brillen (MS), maar leidde ook tot een paradigmaverschuiving in hoe mensen denken over metaallegeringen.Sinds het allereerste baanbrekende onderzoek naar de synthese van MS-legeringen, zijn bijna alle metallische glassoorten volledig verkregen met behulp van een van de volgende methoden: (i) snelle stolling van de smelt of damp, (ii) atomaire roosterstoornis, (iii) amorfiseringsreacties in vaste toestand tussen zuivere metaalelementen en (iv) vaste-fase-overgangen van metastabiele fasen.
MG's onderscheiden zich door de afwezigheid van een atomaire ordening over lange afstand geassocieerd met kristallen, wat een bepalend kenmerk is van kristallen.In de moderne wereld is grote vooruitgang geboekt op het gebied van metallisch glas.Dit zijn nieuwe materialen met interessante eigenschappen die niet alleen interessant zijn voor de vaste-stoffysica, maar ook voor metallurgie, oppervlaktechemie, technologie, biologie en vele andere gebieden.Dit nieuwe type materiaal heeft andere eigenschappen dan hardmetalen, waardoor het een interessante kandidaat is voor technologische toepassingen op allerlei gebieden.Ze hebben enkele belangrijke eigenschappen: (i) hoge mechanische ductiliteit en rekgrens, (ii) hoge magnetische permeabiliteit, (iii) lage coërciviteit, (iv) ongebruikelijke corrosieweerstand, (v) temperatuuronafhankelijkheid.Geleidbaarheid 6.7.
Mechanisch legeren (MA)1,8 is een relatief nieuwe methode, voor het eerst geïntroduceerd in 19839 door prof. KK Kok en zijn collega's.Ze produceerden amorfe Ni60Nb40-poeders door een mengsel van zuivere elementen te vermalen bij kamertemperatuur, zeer dicht bij kamertemperatuur.Typisch wordt de MA-reactie uitgevoerd tussen diffusiebinding van reactantpoeders in een reactor, meestal gemaakt van roestvrij staal, in een kogelmolen.10 (Fig. 1a, b).Sindsdien is deze mechanisch geïnduceerde reactiemethode in vaste toestand gebruikt om nieuwe poeders van amorfe/metallische glaslegeringen te bereiden met behulp van lage (Fig. 1c) en hoge energiekogelmolens en staafmolens11,12,13,14,15,16.Deze methode is met name gebruikt om niet-mengbare systemen te bereiden, zoals Cu-Ta17, evenals legeringen met een hoog smeltpunt, zoals Al-overgangsmetaal (TM, Zr, Hf, Nb en Ta)18,19 en Fe-W20-systemen., die niet kan worden verkregen met conventionele kookmethoden.Bovendien wordt MA beschouwd als een van de krachtigste nanotechnologische hulpmiddelen voor de productie op industriële schaal van nanokristallijne en nanocomposietpoederdeeltjes van metaaloxiden, carbiden, nitriden, hydriden, koolstofnanobuisjes, nanodiamanten, evenals brede stabilisatie met behulp van een top-downbenadering.1 en metastabiele stadia.
Schematische weergave van de fabricagemethode die is gebruikt om de Cu50 (Zr50-xNix) / SUS 304 metallic glascoating in deze studie voor te bereiden.( a ) Bereiding van MC-legeringspoeders met verschillende concentraties Ni x (x; 10, 20, 30 en 40 at.%) met behulp van de energiezuinige kogelmolenmethode.(a) Het uitgangsmateriaal wordt samen met gereedschapsstalen kogels in een gereedschapscilinder geladen en (b) verzegeld in een met He-atmosfeer gevulde handschoenenkast.(c) Transparant model van het slijpvat dat de beweging van de bal tijdens het slijpen illustreert.Het uiteindelijke poederproduct dat na 50 uur werd verkregen, werd gebruikt om het SUS 304-substraat (d) koud te sproeien.
Als het gaat om bulkmateriaaloppervlakken (substraten), omvat oppervlaktetechniek het ontwerp en de wijziging van oppervlakken (substraten) om bepaalde fysische, chemische en technische eigenschappen te verkrijgen die niet aanwezig zijn in het oorspronkelijke bulkmateriaal.Enkele van de eigenschappen die effectief kunnen worden verbeterd door middel van oppervlaktebehandeling zijn onder meer slijtvastheid, oxidatie- en corrosieweerstand, wrijvingscoëfficiënt, bio-inertie, elektrische eigenschappen en thermische isolatie, om er maar een paar te noemen.Oppervlaktekwaliteit kan worden verbeterd door metallurgische, mechanische of chemische methoden.Als een bekend proces wordt coating simpelweg gedefinieerd als een of meer materiaallagen die kunstmatig worden aangebracht op het oppervlak van een bulkobject (substraat) gemaakt van een ander materiaal.Zo worden coatings gedeeltelijk gebruikt om de gewenste technische of decoratieve eigenschappen te bereiken, maar ook om materialen te beschermen tegen verwachte chemische en fysische interacties met de omgeving23.
Er kan een verscheidenheid aan methoden en technieken worden gebruikt om geschikte beschermende lagen aan te brengen met een dikte van enkele micrometer (minder dan 10-20 micrometer) tot meer dan 30 micrometer of zelfs enkele millimeters.Over het algemeen kunnen coatingprocessen worden onderverdeeld in twee categorieën: (i) natte coatingmethoden, waaronder galvaniseren, galvaniseren en thermisch verzinken, en (ii) droge coatingmethoden, waaronder solderen, hardoplassen, physical vapour deposition (PVD).), chemical vapour deposition (CVD), thermische spuittechnieken en meer recentelijk koude spuittechnieken 24 (Figuur 1d).
Biofilms worden gedefinieerd als microbiële gemeenschappen die onomkeerbaar aan oppervlakken zijn gehecht en omgeven door zelfgeproduceerde extracellulaire polymeren (EPS).De vorming van een oppervlakkig volgroeide biofilm kan leiden tot aanzienlijke verliezen in veel industrieën, waaronder voedselverwerking, watersystemen en gezondheidszorg.Bij mensen is, met de vorming van biofilms, meer dan 80% van de gevallen van microbiële infecties (waaronder Enterobacteriaceae en Staphylococci) moeilijk te behandelen.Bovendien is gemeld dat volwassen biofilms 1000 keer beter bestand zijn tegen behandeling met antibiotica in vergelijking met planktonische bacteriecellen, wat als een grote therapeutische uitdaging wordt beschouwd.Historisch gezien zijn antimicrobiële oppervlaktecoatingmaterialen gebruikt die zijn afgeleid van gewone organische verbindingen.Hoewel dergelijke materialen vaak toxische componenten bevatten die mogelijk schadelijk zijn voor mensen,25,26 kan dit helpen om bacteriële overdracht en materiaaldegradatie te voorkomen.
Wijdverbreide bacteriële resistentie tegen behandeling met antibiotica als gevolg van biofilmvorming heeft geleid tot de noodzaak om een ​​effectief antimicrobieel membraangecoat oppervlak te ontwikkelen dat veilig kan worden aangebracht27.De ontwikkeling van een fysisch of chemisch anti-adhesief oppervlak waaraan bacteriecellen niet kunnen binden en biofilms kunnen vormen door adhesie is de eerste benadering in dit proces27.De tweede technologie is het ontwikkelen van coatings die antimicrobiële chemicaliën precies afleveren waar ze nodig zijn, in sterk geconcentreerde en op maat gemaakte hoeveelheden.Dit wordt bereikt door de ontwikkeling van unieke coatingmaterialen zoals grafeen/germanium28, zwarte diamant29 en ZnO30-gedoteerde diamantachtige koolstofcoatings die resistent zijn tegen bacteriën, een technologie die de ontwikkeling van toxiciteit en weerstand door biofilmvorming maximaliseert.Bovendien worden coatings met kiemdodende chemicaliën die langdurige bescherming bieden tegen bacteriële besmetting steeds populairder.Hoewel alle drie procedures antimicrobiële werking kunnen uitoefenen op gecoate oppervlakken, heeft elk zijn eigen beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwikkelen van een toepassingsstrategie.
De producten die momenteel op de markt zijn, worden gehinderd door het gebrek aan tijd om beschermende coatings op biologisch actieve ingrediënten te analyseren en te testen.Bedrijven beweren dat hun producten gebruikers de gewenste functionele aspecten zullen bieden, maar dit is een obstakel geworden voor het succes van de producten die momenteel op de markt zijn.Verbindingen afgeleid van zilver worden gebruikt in de overgrote meerderheid van antimicrobiële stoffen die momenteel beschikbaar zijn voor consumenten.Deze producten zijn ontworpen om gebruikers te beschermen tegen potentieel schadelijke blootstelling aan micro-organismen.De vertraagde antimicrobiële werking en de bijbehorende toxiciteit van zilververbindingen verhogen de druk op onderzoekers om een ​​minder schadelijk alternatief te ontwikkelen36,37.Het blijft een uitdaging om een ​​wereldwijde antimicrobiële coating te creëren die van binnen en van buiten werkt.Dit brengt de bijbehorende gezondheids- en veiligheidsrisico's met zich mee.Het ontdekken van een antimicrobieel middel dat minder schadelijk is voor de mens en uitzoeken hoe het kan worden opgenomen in coatingsubstraten met een langere houdbaarheid is een veelgevraagd doel38.De nieuwste antimicrobiële en antibiofilmmaterialen zijn ontworpen om bacteriën van dichtbij te doden, hetzij door direct contact of na het vrijkomen van het actieve middel.Ze kunnen dit doen door de aanvankelijke aanhechting van bacteriën te remmen (waaronder het voorkomen van de vorming van een eiwitlaag op het oppervlak) of door bacteriën te doden door de celwand te verstoren.
In wezen is oppervlaktecoating het proces van het aanbrengen van een andere laag op het oppervlak van een component om de oppervlakte-eigenschappen te verbeteren.Het doel van een oppervlaktecoating is om de microstructuur en/of samenstelling van het nabije oppervlak van een component te veranderen39.Methoden voor oppervlaktecoating kunnen worden onderverdeeld in verschillende methoden, die zijn samengevat in figuur 2a.Coatings kunnen worden onderverdeeld in thermische, chemische, fysische en elektrochemische categorieën, afhankelijk van de methode die is gebruikt om de coating te maken.
(a) Een inzet die de belangrijkste technieken voor oppervlaktefabricage toont, en (b) geselecteerde voor- en nadelen van de koudspuitmethode.
Coldspray-technologie heeft veel gemeen met traditionele thermische spraytechnieken.Er zijn echter ook enkele belangrijke fundamentele eigenschappen die het koudspuitproces en de koudspuitmaterialen bijzonder uniek maken.De coldspray-technologie staat nog in de kinderschoenen, maar heeft een grote toekomst.In sommige gevallen bieden de unieke eigenschappen van koud spuiten grote voordelen, waarbij de beperkingen van conventionele thermische spuittechnieken worden overwonnen.Het overwint de aanzienlijke beperkingen van de traditionele thermische spuittechnologie, waarbij het poeder moet worden gesmolten om op een substraat te worden afgezet.Uiteraard is dit traditionele coatingproces niet geschikt voor zeer temperatuurgevoelige materialen zoals nanokristallen, nanodeeltjes, amorf en metallisch glas40, 41, 42. Bovendien hebben thermische spraycoatingmaterialen altijd een hoge mate van porositeit en oxiden.Coldspray-technologie heeft veel belangrijke voordelen ten opzichte van thermische spraytechnologie, zoals (i) minimale warmtetoevoer naar het substraat, (ii) flexibiliteit bij het kiezen van de substraatcoating, (iii) geen fasetransformatie en korrelgroei, (iv) hoge kleefkracht1 .39 (fig. 2b).Bovendien hebben koudspuitcoatingmaterialen een hoge corrosieweerstand, hoge sterkte en hardheid, hoge elektrische geleidbaarheid en hoge dichtheid41.Ondanks de voordelen van het koudspuitproces heeft deze methode toch enkele nadelen, zoals weergegeven in figuur 2b.Bij het coaten van pure keramische poeders zoals Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, etc. kan de koude spraymethode niet worden gebruikt.Aan de andere kant kunnen keramiek/metaalcomposietpoeders worden gebruikt als grondstof voor coatings.Hetzelfde geldt voor andere thermische spuitmethodes.Moeilijke oppervlakken en buisinterieurs zijn nog steeds moeilijk te spuiten.
Gezien het feit dat het huidige werk is gericht op het gebruik van metallische glasachtige poeders als uitgangsmaterialen voor coatings, is het duidelijk dat conventioneel thermisch spuiten voor dit doel niet kan worden gebruikt.Dit komt door het feit dat metallische glasachtige poeders kristalliseren bij hoge temperaturen1.
De meeste instrumenten die in de medische en voedingsindustrie worden gebruikt, zijn gemaakt van austenitische roestvrij staallegeringen (SUS316 en SUS304) met een chroomgehalte van 12 tot 20 gew.% voor de productie van chirurgische instrumenten.Het is algemeen aanvaard dat het gebruik van chroommetaal als legeringselement in staallegeringen de corrosieweerstand van standaard staallegeringen aanzienlijk kan verbeteren.Roestvrijstalen legeringen hebben, ondanks hun hoge corrosieweerstand, geen significante antimicrobiële eigenschappen38,39.Dit staat in contrast met hun hoge corrosieweerstand.Daarna is het mogelijk om de ontwikkeling van infectie en ontsteking te voorspellen, die voornamelijk te wijten zijn aan bacteriële adhesie en kolonisatie op het oppervlak van roestvrijstalen biomaterialen.Er kunnen aanzienlijke problemen ontstaan ​​als gevolg van de aanzienlijke problemen die verband houden met bacteriële adhesie en biofilmvormingsroutes, wat kan leiden tot een slechte gezondheid, wat vele gevolgen kan hebben die direct of indirect de gezondheid van de mens kunnen beïnvloeden.
Deze studie is de eerste fase van een project dat wordt gefinancierd door de Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), contractnr.2010-550401, om de haalbaarheid te onderzoeken van het produceren van metallische glasachtige Cu-Zr-Ni ternaire poeders met behulp van MA-technologie (tabel).1) Voor de productie van SUS304 antibacteriële oppervlaktebeschermingsfilm/coating.De tweede fase van het project, die in januari 2023 van start gaat, zal de galvanische corrosie-eigenschappen en de mechanische eigenschappen van het systeem in detail bestuderen.Gedetailleerde microbiologische tests voor verschillende soorten bacteriën zullen worden uitgevoerd.
Dit artikel bespreekt het effect van het gehalte aan Zr-legeringen op het glasvormend vermogen (GFA) op basis van morfologische en structurele kenmerken.Daarnaast kwamen ook de antibacteriële eigenschappen van het gepoedercoate metaalglas/SUS304-composiet aan bod.Bovendien is er voortdurend werk verricht om de mogelijkheid te onderzoeken van structurele transformatie van metallische glaspoeders tijdens koud spuiten in het onderkoelde vloeistofgebied van gefabriceerde metallische glassystemen.Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr20Ni30 metaalglaslegeringen werden gebruikt als representatieve voorbeelden in deze studie.
Deze sectie presenteert de morfologische veranderingen in poeders van elementair Cu, Zr en Ni tijdens kogelmalen met lage energie.Twee verschillende systemen bestaande uit Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr40Ni10 zullen als illustratieve voorbeelden worden gebruikt.Het MA-proces kan worden onderverdeeld in drie afzonderlijke fasen, zoals blijkt uit de metallografische karakterisering van het poeder verkregen in de maalfase (Fig. 3).
Metallografische kenmerken van poeders van mechanische legeringen (MA) verkregen na verschillende stadia van kogelslijpen.Veldemissie scanning-elektronenmicroscopie (FE-SEM) beelden van MA- en Cu50Zr40Ni10-poeders verkregen na kogelfrezen met lage energie gedurende 3, 12 en 50 uur worden getoond in (a), (c) en (e) voor het Cu50Zr20Ni30-systeem, terwijl op dezelfde MA.De overeenkomstige afbeeldingen van het Cu50Zr40Ni10-systeem die na verloop van tijd zijn genomen, worden weergegeven in (b), (d) en (f).
Tijdens kogelfrezen wordt de effectieve kinetische energie die kan worden overgedragen op het metaalpoeder beïnvloed door een combinatie van parameters, zoals weergegeven in figuur 1a.Dit omvat botsingen tussen kogels en poeders, afschuifcompressie van poeder dat vastzit tussen of tussen maalmedia, schokken van vallende kogels, afschuiving en slijtage veroorzaakt door poederweerstand tussen de bewegende lichamen van een kogelmolen, en een schokgolf die door vallende kogels gaat en zich voortplant door geladen cultuur (Fig. 1a). De verschillende soorten Cu, Zr en Ni zijn geschikt voor het verwijderen van water uit de lucht (3 ч), zet het apparaat in de lucht (> 1 m van het scherm). De elementaire Cu-, Zr- en Ni-poeders waren ernstig vervormd door koud lassen in een vroeg stadium van MA (3 uur), wat leidde tot de vorming van grote poederdeeltjes (> 1 mm in diameter).Deze grote composietdeeltjes worden gekenmerkt door de vorming van dikke lagen legeringselementen (Cu, Zr, Ni), zoals getoond in Fig.3a, b.Een toename van de MA-tijd tot 12 uur (tussenstadium) leidde tot een toename van de kinetische energie van de kogelmolen, wat leidde tot de ontbinding van het composietpoeder in kleinere poeders (minder dan 200 μm), zoals getoond in Fig. 3c, stad .In dit stadium leidt de uitgeoefende afschuifkracht tot de vorming van een nieuw metaaloppervlak met dunne Cu-, Zr- en Ni-hintlagen, zoals weergegeven in figuur 3c, d.Als resultaat van het malen van de lagen op het grensvlak van de vlokken, treden vaste-fasereacties op met de vorming van nieuwe fasen.
Op het hoogtepunt van het MA-proces (na 50 uur) was vlokmetallografie nauwelijks merkbaar (Fig. 3e, f) en werd spiegelmetallografie waargenomen op het gepolijste oppervlak van het poeder.Dit betekent dat het MA-proces is voltooid en er een enkele reactiefase is ontstaan.De elementaire samenstelling van de gebieden aangegeven in Fig.3e (I, II, III), f, v, vi) werden bepaald met behulp van veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FE-SEM) in combinatie met energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS).(IV).
In tafel.2 elementaire concentraties van legeringselementen worden weergegeven als een percentage van de totale massa van elk geselecteerd gebied in Fig.3e, f.Vergelijking van deze resultaten met de initiële nominale samenstellingen van Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr40Ni10 gegeven in Tabel 1 laat zien dat de samenstellingen van deze twee eindproducten zeer dicht bij de nominale samenstellingen liggen.Bovendien suggereren de relatieve waarden van de componenten voor de regio's vermeld in Fig. 3e, f geen significante verslechtering of variatie in de samenstelling van elk monster van het ene gebied naar het andere.Dit blijkt uit het feit dat er geen verandering in samenstelling is van de ene regio naar de andere.Dit geeft de productie aan van uniforme legeringspoeders zoals weergegeven in tabel 2.
FE-SEM-microfoto's van het Cu50 (Zr50-xNix) eindproductpoeder werden verkregen na 50 MA-tijden, zoals getoond in Fig. 4a-d, waar x respectievelijk 10, 20, 30 en 40 at.% is.Na deze maalstap aggregeert het poeder als gevolg van het van der Waals-effect, wat leidt tot de vorming van grote aggregaten bestaande uit ultrafijne deeltjes met een diameter van 73 tot 126 nm, zoals weergegeven in figuur 4.
Morfologische kenmerken van Cu50 (Zr50-xNix) poeders verkregen na 50 uur MA.Voor de Cu50Zr40Ni10-, Cu50Zr30Ni20-, Cu50Zr20Ni30-, Cu50Zr10Ni40-systemen worden de FE-SEM-afbeeldingen van poeders verkregen na 50 MA respectievelijk weergegeven in (a), (b), (c) en (d).
Voordat de poeders in de cold spray feeder geladen werden, werden ze eerst 15 minuten gesoniceerd in ethanol van analytische kwaliteit en daarna 2 uur gedroogd bij 150°C.Deze stap moet worden genomen om agglomeratie, die vaak veel ernstige problemen in het coatingproces veroorzaakt, met succes te bestrijden.Na voltooiing van het MA-proces werden verdere studies uitgevoerd om de homogeniteit van de legeringspoeders te onderzoeken.Op afb.5a – d tonen FE-SEM-microfoto's en overeenkomstige EDS-afbeeldingen van de Cu-, Zr- en Ni-legeringselementen van de Cu50Zr30Ni20-legering genomen na respectievelijk 50 uur tijd M.Opgemerkt moet worden dat de legeringspoeders die na deze stap worden verkregen homogeen zijn, aangezien ze geen samenstellingsfluctuaties vertonen die verder gaan dan het subnanometerniveau, zoals weergegeven in figuur 5.
Morfologie en lokale verdeling van elementen in MG Cu50Zr30Ni20 poeder verkregen na 50 MA door FE-SEM/Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS).(a) SEM- en röntgen-EDS-beeldvorming van (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα en (d) Ni-Kα.
De röntgendiffractiepatronen van mechanisch gelegeerde Cu50Zr40Ni10-, Cu50Zr30Ni20-, Cu50Zr20Ni30- en Cu50Zr20Ni30-poeders verkregen na 50 uur MA worden getoond in Fig.6a-d, respectievelijk.Na deze maalfase hadden alle monsters met verschillende Zr-concentraties amorfe structuren met karakteristieke halodiffusiepatronen getoond in Fig. 6.
Röntgendiffractiepatronen van Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) en Cu50Zr20Ni30 (d) poeders na MA gedurende 50 uur.Zonder uitzondering werd in alle monsters een halodiffusiepatroon waargenomen, wat wijst op de vorming van een amorfe fase.
Hoge resolutie veldemissie transmissie-elektronenmicroscopie (FE-HRTEM) werd gebruikt om structurele veranderingen te observeren en de lokale structuur van poeders te begrijpen die het resultaat zijn van kogelmalen op verschillende MA-tijden.Afbeeldingen van poeders verkregen met de FE-HRTEM-methode na de vroege (6 uur) en tussenstadia (18 uur) van het malen van Cu50Zr30Ni20- en Cu50Zr40Ni10-poeders worden getoond in Fig.7a, respectievelijk.Volgens het helderveldbeeld (BFI) van het poeder verkregen na 6 uur MA, bestaat het poeder uit grote korrels met duidelijk gedefinieerde grenzen van de fcc-Cu-, hcp-Zr- en fcc-Ni-elementen, en er zijn geen tekenen van de vorming van een reactiefase, zoals weergegeven in figuur 7a.Bovendien onthulde een gecorreleerd diffractiepatroon met geselecteerd gebied (SADP) genomen uit het middelste gebied (a) een scherp diffractiepatroon (Fig. 7b) dat de aanwezigheid van grote kristallieten en de afwezigheid van een reactieve fase aangeeft.
Lokale structurele kenmerken van het MA-poeder verkregen na de vroege (6 uur) en tussenliggende (18 uur) stadia.(a) Hoge resolutie veldemissietransmissie-elektronenmicroscopie (FE-HRTEM) en (b) overeenkomstig geselecteerd gebiedsdiffractogram (SADP) van Cu50Zr30Ni20-poeder na MA-behandeling gedurende 6 uur.Het FE-HRTEM-beeld van Cu50Zr40Ni10 verkregen na 18 uur MA wordt getoond in (c).
Zoals weergegeven in afb.7c leidde een verlenging van de duur van MA tot 18 uur tot ernstige roosterdefecten in combinatie met plastische deformatie.In dit tussenstadium van het MA-proces verschijnen verschillende defecten in het poeder, waaronder stapelfouten, roosterdefecten en puntdefecten (fig. 7).Deze defecten veroorzaken de fragmentatie van grote korrels langs de korrelgrenzen tot subkorrels die kleiner zijn dan 20 nm (Fig. 7c).
De lokale structuur van het Cu50Z30Ni20-poeder gemalen gedurende 36 uur MA wordt gekenmerkt door de vorming van ultrafijne nanokorrels ingebed in een amorfe dunne matrix, zoals weergegeven in figuur 8a.Een lokale analyse van de EMF toonde aan dat de nanoclusters getoond in Fig.8a worden geassocieerd met onbehandelde Cu-, Zr- en Ni-poederlegeringen.Het gehalte aan Cu in de matrix varieerde van ~32 at.% (arme zone) tot ~74 at.% (rijke zone), wat wijst op de vorming van heterogene producten.Bovendien tonen de overeenkomstige SADP's van de poeders verkregen na malen in deze stap primaire en secundaire halogeendiffusie amorfe faseringen die overlappen met scherpe punten geassocieerd met deze onbehandelde legeringselementen, zoals weergegeven in figuur 8b.
Lokale structurele kenmerken op nanoschaal van Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20-poeder.( a ) Helderveldbeeld (BFI) en overeenkomstig ( b ) SADP van Cu50Zr30Ni20-poeder verkregen na malen gedurende 36 uur MA.
Tegen het einde van het MA-proces (50 uur) hebben Cu50 (Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 en 40 at.% poeders zonder uitzondering een labyrintische morfologie van de amorfe fase, zoals getoond in Fig.Noch puntdiffractie noch scherpe ringvormige patronen konden worden gedetecteerd in de overeenkomstige SADS van elke compositie.Dit duidt op de afwezigheid van onbehandeld kristallijn metaal, maar eerder op de vorming van een amorf legeringspoeder.Deze gecorreleerde SADP's die halodiffusiepatronen vertoonden, werden ook gebruikt als bewijs voor de ontwikkeling van amorfe fasen in het uiteindelijke productmateriaal.
Lokale structuur van het eindproduct van het Cu50 MS-systeem (Zr50-xNix).FE-HRTEM en gecorreleerde nanobeam-diffractiepatronen (NBDP) van (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 en (d) Cu50Zr10Ni40 verkregen na 50 uur MA.
Met behulp van differentiële scanningcalorimetrie werd de thermische stabiliteit van de glasovergangstemperatuur (Tg), het onderkoelde vloeistofgebied (ΔTx) en de kristallisatietemperatuur (Tx) bestudeerd, afhankelijk van het gehalte aan Ni (x) in het Cu50(Zr50-xNix) amorfe systeem.(DSC) eigenschappen in de He-gasstroom.De DSC-krommen van poeders van Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr10Ni40 amorfe legeringen verkregen na MA gedurende 50 uur worden getoond in Fig.10a, b, e, respectievelijk.Terwijl de DSC-curve van amorf Cu50Zr20Ni30 afzonderlijk wordt weergegeven in Fig. 10e eeuw Ondertussen wordt een Cu50Zr30Ni20-monster verwarmd tot ~700°C in DSC getoond in Fig. 10g.
De thermische stabiliteit van Cu50 (Zr50-xNix) MG-poeders verkregen na MA gedurende 50 uur wordt bepaald door de glasovergangstemperatuur (Tg), kristallisatietemperatuur (Tx) en onderkoeld vloeistofgebied (ΔTx).Thermogrammen van differentiële scanningcalorimeter (DSC) poeders van Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) en (e) Cu50Zr10Ni40 MG-legeringspoeders na MA gedurende 50 uur.Een röntgendiffractiepatroon (XRD) van een Cu50Zr30Ni20-monster verwarmd tot ~700°C in DSC wordt getoond in (d).
Zoals weergegeven in figuur 10 geven de DSC-krommen voor alle samenstellingen met verschillende nikkelconcentraties (x) twee verschillende gevallen aan, de ene endotherm en de andere exotherm.De eerste endotherme gebeurtenis komt overeen met Tg en de tweede is geassocieerd met Tx.Het horizontale overspanningsgebied tussen Tg en Tx wordt het onderkoelde vloeistofgebied genoemd (ΔTx = Tx – Tg).De resultaten laten zien dat de Tg en Tx van het Cu50Zr40Ni10-monster (fig. 10a) geplaatst bij 526°C en 612°C de inhoud (x) tot 20 at % verschuiven naar de lage temperatuurzijde van 482°C en 563°C.°C met toenemend Ni-gehalte (x), respectievelijk, zoals weergegeven in figuur 10b.Bijgevolg neemt ΔTx Cu50Zr40Ni10 af van 86°С (figuur 10a) tot 81°С voor Cu50Zr30Ni20 (figuur 10b).Voor de MC Cu50Zr40Ni10-legering werd ook een afname van de waarden van Tg, Tx en ΔTx tot de niveaus van 447°С, 526°С en 79°С waargenomen (Fig. 10b).Dit geeft aan dat een toename van het Ni-gehalte leidt tot een afname van de thermische stabiliteit van de MS-legering.Integendeel, de waarde van Tg (507 °C) van de MC Cu50Zr20Ni30-legering is lager dan die van de MC Cu50Zr40Ni10-legering;niettemin vertoont zijn Tx een vergelijkbare waarde (612 °C).Daarom heeft ΔTx een hogere waarde (87°C) zoals getoond in Fig.10e eeuw
Het Cu50 (Zr50-xNix) MC-systeem, met de Cu50Zr20Ni30 MC-legering als voorbeeld, kristalliseert door een scherpe exotherme piek in fcc-ZrCu5, orthorhombische-Zr7Cu10 en orthorhombische-ZrNi kristallijne fasen (Fig. 10c).Deze faseovergang van amorf naar kristallijn werd bevestigd door röntgendiffractieanalyse van het MG-monster (figuur 10d) dat in DSC tot 700 ° C werd verwarmd.
Op afb.11 toont foto's die zijn gemaakt tijdens het koude spuitproces dat in het huidige werk wordt uitgevoerd.In deze studie werden glasachtige metaalpoederdeeltjes gesynthetiseerd na MA gedurende 50 uur (met Cu50Zr20Ni30 als voorbeeld) gebruikt als een antibacteriële grondstof, en een roestvrijstalen plaat (SUS304) werd koud gesproeid.Voor het coaten in de serie thermische spraytechnologie is gekozen voor de koude spuitmethode omdat dit de meest efficiënte methode is in de serie thermische spuittechnologie, waar het kan worden gebruikt voor metallische metastabiele warmtegevoelige materialen zoals amorfe en nanokristallijne poeders.Niet onderhevig aan fase.overgangen.Dit is de belangrijkste factor bij het kiezen van deze methode.Het koude depositieproces wordt uitgevoerd met behulp van deeltjes met hoge snelheid die de kinetische energie van de deeltjes omzetten in plastische vervorming, vervorming en warmte bij botsing met het substraat of eerder gedeponeerde deeltjes.
Veldfoto's tonen de koude spuitprocedure die werd gebruikt voor vijf opeenvolgende bereidingen van MG/SUS 304 bij 550°C.
De kinetische energie van de deeltjes, evenals het momentum van elk deeltje tijdens de vorming van de coating, moet worden omgezet in andere vormen van energie door middel van mechanismen als plastische vervorming (primaire deeltjes en interacties tussen deeltjes in de matrix en interacties van deeltjes), interstitiële knopen van vaste stoffen, rotatie tussen deeltjes, vervorming en beperkende verwarming 39. Als bovendien niet alle inkomende kinetische energie wordt omgezet in thermische energie en vervormingsenergie, zal het resultaat een elastische botsing zijn, wat betekent stuitert gewoon af na impact.Opgemerkt is dat 90% van de impactenergie die op het deeltjes-/substraatmateriaal wordt toegepast, wordt omgezet in lokale warmte 40 .Bovendien worden bij impactbelasting in zeer korte tijd hoge plastische reksnelheden bereikt in het contactgebied tussen deeltjes en substraat41,42.
Plastische vervorming wordt meestal beschouwd als een proces van energiedissipatie, of beter gezegd, als een warmtebron in het grensvlakgebied.De temperatuurstijging in het grensvlakgebied is echter meestal niet voldoende voor het optreden van grensvlaksmelting of significante stimulering van de wederzijdse diffusie van atomen.Geen enkele bij de auteurs bekende publicatie heeft het effect onderzocht van de eigenschappen van deze metallische glasachtige poeders op poederadhesie en bezinking die optreden bij het gebruik van koude spuittechnieken.
De BFI van het MG Cu50Zr20Ni30-legeringspoeder is te zien in figuur 12a, dat werd afgezet op het SUS 304-substraat (figuur 11, 12b).Zoals te zien is in de figuur, behouden de gecoate poeders hun oorspronkelijke amorfe structuur omdat ze een delicate labyrintstructuur hebben zonder enige kristallijne kenmerken of roosterdefecten.Aan de andere kant geeft het beeld de aanwezigheid van een vreemde fase aan, zoals blijkt uit de nanodeeltjes die zijn opgenomen in de MG-gecoate poedermatrix (Fig. 12a).Figuur 12c toont het geïndexeerde nanobeam-diffractiepatroon (NBDP) geassocieerd met regio I (Figuur 12a).Zoals weergegeven in afb.12c, NBDP vertoont een zwak halo-diffusiepatroon van amorfe structuur en bestaat naast scherpe vlekken die overeenkomen met een kristallijne grote kubieke metastabiele Zr2Ni-fase plus een tetragonale CuO-fase.De vorming van CuO kan worden verklaard door de oxidatie van het poeder bij het verplaatsen van het mondstuk van het spuitpistool naar SUS 304 in de open lucht in een supersonische stroom.Aan de andere kant resulteerde de ontglazing van metaalglazige poeders in de vorming van grote kubische fasen na koude sproeibehandeling bij 550°C gedurende 30 minuten.
(a) FE-HRTEM-afbeelding van MG-poeder afgezet op (b) SUS 304-substraat (figuurinzet).De NBDP-index van het ronde symbool weergegeven in (a) wordt weergegeven in (c).
Om dit potentiële mechanisme voor de vorming van grote kubieke Zr2Ni-nanodeeltjes te testen, werd een onafhankelijk experiment uitgevoerd.In dit experiment werden poeders uit een verstuiver bij 550°C in de richting van het SUS 304-substraat gespoten;om het uitgloei-effect te bepalen, werden de poeders echter zo snel mogelijk van de SUS304-strip verwijderd (ongeveer 60 seconden).).Een andere reeks experimenten werd uitgevoerd waarbij het poeder ongeveer 180 seconden na aanbrengen van het substraat werd verwijderd.
Figuren 13a,b tonen Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) donkerveld (DFI) beelden van twee gesputterde materialen afgezet op SUS 304-substraten gedurende respectievelijk 60 s en 180 s.Het poederbeeld dat gedurende 60 seconden is afgezet, mist morfologische details, die karakterloosheid vertonen (Fig. 13a).Dit werd ook bevestigd door XRD, waaruit bleek dat de algehele structuur van deze poeders amorf was, zoals aangegeven door de brede primaire en secundaire diffractiepieken getoond in Figuur 14a.Dit duidt op de afwezigheid van metastabiele/mesofase-precipitaten, waarin het poeder zijn oorspronkelijke amorfe structuur behoudt.Daarentegen vertoonde het poeder dat bij dezelfde temperatuur (550°C) werd afgezet maar gedurende 180 s op het substraat werd gelaten, de afzetting van korrels van nanogrootte, zoals getoond door de pijlen in Fig. 13b.