Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta para sa CSS. Para sa pinakamaayong kasinatian, among girekomendar nga mogamit ka og updated nga browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Samtang, aron masiguro ang padayon nga suporta, among ipakita ang site nga walay mga style ug JavaScript.
Ang mga biofilm usa ka importante nga sangkap sa pag-uswag sa mga impeksyon nga laygay, labi na kung ang mga medikal nga aparato nalambigit. Kini nga problema naghatag usa ka dako nga hagit sa komunidad sa medisina, tungod kay ang mga standard nga antibiotic makapuo lamang sa mga biofilm sa limitado kaayo nga sukod. Ang pagpugong sa pagporma sa biofilm misangpot sa pag-uswag sa lainlaing mga pamaagi sa pag-coat ug bag-ong mga materyales. Kini nga mga pamaagi nagtumong sa pag-coat sa mga nawong sa usa ka paagi nga makapugong sa pagporma sa biofilm. Ang mga metallic glassy alloys, labi na kadtong adunay mga metal nga tumbaga ug titanium, mitumaw isip sulundon nga antimicrobial coatings. Sa parehas nga oras, ang paggamit sa cold spray technology misaka tungod kay kini usa ka angay nga pamaagi alang sa pagproseso sa mga materyales nga sensitibo sa temperatura. Kabahin sa katuyoan niini nga pagtuon mao ang paghimo og usa ka nobela nga antibacterial film metallic glass nga gilangkoban sa ternary Cu-Zr-Ni gamit ang mga teknik sa mechanical alloying. Ang spherical powder nga naglangkob sa katapusang produkto gigamit ingon usa ka hilaw nga materyal alang sa cold spray coating sa mga stainless steel nga nawong sa ubos nga temperatura. Ang mga substrate nga giputos sa metallic glass nakahimo sa pagkunhod sa pagporma sa biofilm sa labing menos 1 log kumpara sa stainless steel.
Sa tibuok kasaysayan sa tawo, ang bisan unsang katilingban nakahimo sa pagdesinyo ug pagpasiugda sa pagpaila sa mga nobela nga materyales nga makatubag sa piho nga mga kinahanglanon niini, nga miresulta sa gipauswag nga performance ug ranggo sa usa ka globalisadong ekonomiya1. Kanunay kini nga gipahinungod sa abilidad sa tawo sa pagpalambo sa mga materyales ug kagamitan sa paggama ug mga disenyo alang sa paggama ug pag-ila sa mga materyales aron makab-ot ang mga kadaugan sa panglawas, edukasyon, industriya, ekonomiya, kultura ug uban pang mga natad gikan sa usa ka nasud o rehiyon ngadto sa lain. Ang pag-uswag gisukod bisan unsa pa ang nasud o rehiyon.2 Sulod sa 60 ka tuig, ang mga siyentista sa materyales naggugol sa kadaghanan sa ilang oras sa pag-focus sa usa ka mayor nga kabalaka: ang pagpangita sa mga nobela ug pinakabag-o nga mga materyales. Ang bag-o nga panukiduki naka-focus sa pagpauswag sa kalidad ug performance sa mga kasamtangan nga materyales, ingon man ang pag-synthesize ug pag-imbento sa hingpit nga bag-ong mga klase sa materyales.
Ang pagdugang sa mga elemento sa pag-alloy, ang pag-usab sa microstructure sa materyal, ug ang paggamit sa mga teknik sa pagproseso sa thermal, mechanical o thermo-mechanical miresulta sa hinungdanon nga mga pag-uswag sa mekanikal, kemikal ug pisikal nga mga kabtangan sa lainlaing mga materyales. Dugang pa, ang mga compound nga wala pa madungog kaniadto malampuson nga na-synthesize niining puntoha. Kini nga padayon nga mga paningkamot nagpatunghag usa ka bag-ong pamilya sa mga inobatibong materyales, nga kolektibong nailhan nga Advanced Materials2. Ang mga nanocrystal, nanoparticle, nanotubes, quantum dots, zero-dimensional, amorphous metallic glasses, ug high-entropy alloys pipila lamang ka mga pananglitan sa mga advanced nga materyales nga gipaila sa kalibutan sukad sa tunga-tunga sa miaging siglo. Kung naggama ug nagpalambo sa bag-ong mga haluang metal nga adunay labaw nga mga kabtangan, sa katapusang produkto o sa mga intermediate nga yugto sa produksiyon niini, ang problema sa off-balance kanunay nga gidugang. Ingon usa ka resulta sa pagpatuman sa bag-ong mga teknik sa paggama nga hinungdanon nga motipas gikan sa equilibrium, usa ka bag-ong klase sa metastable alloys, nga nailhan nga metallic glasses, ang nadiskobrehan.
Ang iyang trabaho sa Caltech niadtong 1960 nagdala og rebolusyon sa konsepto sa mga metal alloy sa dihang iyang gi-synthesize ang glassy Au-25 at.% Si alloys pinaagi sa paspas nga pag-solidate sa mga likido sa halos usa ka milyon nga degree kada segundo. 4. Ang nadiskobrehan ni Propesor Pol Duwezs wala lamang nagpahibalo sa pagsugod sa kasaysayan sa metallic glasses (MG), apan misangpot usab sa usa ka paradigm shift sa paagi sa paghunahuna sa mga tawo bahin sa mga metal alloy. Sukad sa labing una nga mga pagtuon sa pagpayunir sa synthesis sa mga MG alloy, hapit tanan nga metallic glasses gihimo pinaagi sa paggamit sa usa sa mosunod nga mga pamaagi; (i) paspas nga pag-solidate sa natunaw o alisngaw, (ii) atomic disordering sa lattice, (iii) solid-state amorphization reactions tali sa puro nga metal nga mga elemento, ug (iv) solid-state transitions sa metastable phases.
Ang mga MG mailhan tungod sa ilang kakulang sa long-range atomic order nga nalangkit sa mga kristal, nga usa ka nagpaila nga kinaiya sa mga kristal. Sa kalibutan karon, dako ang nahimo nga pag-uswag sa natad sa metallic glass. Kini mga nobela nga materyales nga adunay makapaikag nga mga kabtangan nga makapainteres dili lamang sa solid-state physics, apan usab sa metalurhiya, surface chemistry, teknolohiya, biology ug daghan pang ubang mga natad. Kini nga bag-ong klase sa materyal nagpakita og lahi nga mga kabtangan gikan sa solid metals, nga naghimo niini nga usa ka makapaikag nga kandidato alang sa mga aplikasyon sa teknolohiya sa lainlaing mga natad. Kini adunay pipila ka hinungdanon nga mga kabtangan; (i) taas nga mechanical ductility ug yield strength, (ii) taas nga magnetic permeability, (iii) ubos nga coercivity, (iv) dili kasagaran nga resistensya sa corrosion, (v) independensya sa temperatura Ang conductivity sa 6,7.
Ang mechanical alloying (MA)1,8 usa ka medyo bag-ong teknik, unang gipaila niadtong 19839 ni Prof. CC Kock ug mga kauban. Nag-andam sila og amorphous Ni60Nb40 powders pinaagi sa paggaling sa sagol nga puro nga mga elemento sa ambient temperatures nga duol kaayo sa temperatura sa kwarto. Kasagaran, ang reaksyon sa MA gihimo tali sa diffusive coupling sa mga pulbos sa materyal nga reactant sa usa ka reactor, nga kasagaran hinimo sa stainless steel ngadto sa usa ka ball mill 10 (Fig. 1a, b). Sukad niadto, kini nga mekanikal nga gipahinabo nga teknik sa solid-state reaction gigamit sa pag-andam sa nobela nga amorphous/metallic glass alloy powders gamit ang low (Fig. 1c) ug high energy ball mill, ingon man mga rod mill 11,12,13,14,15, 16. Sa partikular, kini nga pamaagi gigamit sa pag-andam sa mga dili masagol nga sistema sama sa Cu-Ta17, ingon man mga high melting point alloys sama sa Al-transition metal systems (TM; Zr, Hf, Nb ug Ta)18,19 ug Fe-W20, nga dili makuha gamit ang naandan nga mga ruta sa pagpangandam. Dugang pa, ang MA giisip nga usa sa labing gamhanan nga mga himan sa nanotechnology alang sa pag-andam sa mga partikulo sa industrial-scale nanocrystalline ug nanocomposite powder sa mga metal oxide, carbides, nitrides, hydrides, carbon nanotubes, mga nanodiamond, ingon man ang halapad nga pagpalig-on pinaagi sa top-down approach 1 ug metastable stages.
Eskematikong nagpakita sa pamaagi sa paggama nga gigamit sa pag-andam sa Cu50(Zr50−xNix) metallic glass (MG) coating/SUS 304 niini nga pagtuon.(a) Pag-andam sa mga MG alloy powder nga adunay lain-laing konsentrasyon sa Ni x (x; 10, 20, 30 ug 40 at.%) gamit ang low energy ball milling technique.(a) Ang sinugdanang materyal gikarga sa usa ka tool cylinder uban sa mga tool steel balls, ug (b) giselyohan sa usa ka glove box nga puno sa He atmosphere.(c) Usa ka transparent nga modelo sa grinding vessel nga nagpakita sa paglihok sa bola atol sa paggaling. Ang katapusang produkto sa powder nga nakuha human sa 50 ka oras gigamit sa pag-coat sa SUS 304 substrate gamit ang cold spray method (d).
Kon bahin sa mga bulk material surfaces (substrates), ang surface engineering naglambigit sa disenyo ug pag-usab sa mga surfaces (substrates) aron makahatag og pipila ka pisikal, kemikal ug teknikal nga mga kalidad nga wala sa orihinal nga bulk material. Ang ubang mga kabtangan nga mahimong epektibong mapauswag pinaagi sa surface treatments naglakip sa abrasion resistance, oxidation ug corrosion resistance, coefficient of friction, bio-inertness, electrical properties, ug thermal insulation, aron lang mahisgotan ang pipila. Ang kalidad sa surface mahimong mapauswag pinaagi sa paggamit sa metalurhiko, mekanikal o kemikal nga mga teknik. Isip usa ka ilado nga proseso, ang coating gihubit lamang nga usa o daghang mga layer sa materyal nga artipisyal nga gibutang sa ibabaw sa usa ka bulk object (substrate) nga hinimo sa laing materyal. Busa, ang mga coatings gigamit sa bahin aron makab-ot ang pipila ka gitinguha nga teknikal o pangdekorasyon nga mga kabtangan, ingon man aron mapanalipdan ang mga materyales gikan sa gilauman nga kemikal ug pisikal nga interaksyon sa palibot nga palibot23.
Aron makabutang og angay nga mga lut-od sa proteksyon sa nawong nga adunay gibag-on gikan sa pipila ka micrometer (ubos sa 10-20 micrometer) ngadto sa kapin sa 30 micrometer o bisan pipila ka milimetro, daghang mga pamaagi ug teknik ang magamit. Sa kinatibuk-an, ang mga proseso sa pag-coat mahimong bahinon sa duha ka kategorya: (i) mga pamaagi sa wet coating, lakip ang electroplating, electroless plating, ug hot-dip galvanizing, ug (ii) mga pamaagi sa dry coating, lakip ang brazing, surfacing, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), thermal spray techniques ug bag-o lang ang cold spray techniques 24 (Fig. 1d).
Ang mga biofilm gihubit isip mga komunidad sa mikrobyo nga dili na mabalik nga gilakip sa mga nawong ug gilibutan sa mga self-produced extracellular polymers (EPS). Ang pagkahamtong sa ibabaw nga pagporma sa biofilm mahimong mosangpot sa dakong kapildihan sa daghang sektor sa industriya, lakip ang industriya sa pagkaon, mga sistema sa tubig, ug mga palibot sa pag-atiman sa panglawas. Sa mga tawo, kung maporma ang mga biofilm, kapin sa 80% sa mga kaso sa mga impeksyon sa mikrobyo (lakip ang Enterobacteriaceae ug Staphylococci) lisud tambalan. Dugang pa, ang mga hamtong nga biofilm gitaho nga 1000 ka pilo nga mas resistensyado sa pagtambal sa antibiotic kon itandi sa mga planktonic bacterial cells, nga giisip nga usa ka dakong hagit sa pagtambal. Ang mga materyales sa antimicrobial surface coating nga nakuha gikan sa naandan nga mga organikong compound gigamit kaniadto. Bisan kung ang ingon nga mga materyales kanunay adunay mga makahilong sangkap nga mahimong peligroso sa mga tawo,25,26 makatabang kini nga malikayan ang pagbalhin sa bakterya ug pagkaguba sa materyal.
Ang kaylap nga resistensya sa bakterya sa mga pagtambal sa antibiotic tungod sa pagporma sa biofilm nagdala sa panginahanglan sa pagpalambo sa usa ka epektibo nga antimicrobial membrane-coated surface nga luwas nga magamit27. Ang pagpalambo sa usa ka pisikal o kemikal nga anti-adherent surface diin ang mga bacterial cell gipugngan sa paggapos ug pagtukod og biofilms tungod sa adhesion mao ang una nga pamaagi niini nga proseso27. Ang ikaduha nga teknolohiya mao ang pagpalambo sa mga coatings nga makapahimo sa mga antimicrobial nga kemikal nga mahatud sa tukma kung diin kini gikinahanglan, sa taas nga konsentrasyon ug gipahaum nga kantidad. Kini makab-ot pinaagi sa pagpalambo sa talagsaon nga mga materyales sa coating sama sa graphene/germanium28, black diamond29 ug ZnO-doped diamond-like carbon coatings30 nga resistensya sa bakterya, usa ka teknolohiya nga nagpadako sa Toxicity ug ang paglambo sa resistensya tungod sa pagporma sa biofilm mikunhod pag-ayo. Dugang pa, ang mga coatings nga naglakip sa mga germicidal nga kemikal sa mga nawong aron makahatag og dugay nga proteksyon gikan sa kontaminasyon sa bakterya nahimong mas popular. Bisan kung ang tanan nga tulo ka mga pamaagi makahimo sa paghimo og mga antimicrobial nga epekto sa mga coated nga nawong, ang matag usa adunay kaugalingon nga hugpong sa mga limitasyon nga kinahanglan nga tagdon kung nagpalambo sa mga estratehiya sa aplikasyon.
Ang mga produkto nga anaa karon sa merkado nababagan sa dili igo nga oras sa pag-analisar ug pagsulay sa mga protective coating para sa mga biologically active ingredients. Ang mga kompanya nag-angkon nga ang ilang mga produkto makahatag sa mga tiggamit og maayong mga aspeto sa pag-andar; Apan, kini usa ka babag sa kalampusan sa mga produkto nga anaa karon sa merkado. Ang mga compound nga gikan sa pilak gigamit sa kadaghanan sa mga antimicrobial therapies nga anaa na karon sa mga konsumidor. Kini nga mga produkto gihimo aron mapanalipdan ang mga tiggamit gikan sa posibleng delikado nga mga epekto sa mga mikroorganismo. Ang nalangan nga antimicrobial nga epekto ug ang nalangkit nga toxicity sa mga silver compound nagdugang sa pressure sa mga tigdukiduki sa pagpalambo sa usa ka dili kaayo makadaot nga alternatibo36,37. Ang paghimo og usa ka global antimicrobial coating nga molihok sa sulod ug gawas sa balay napamatud-an gihapon nga usa ka makahadlok nga buluhaton. Kini tungod sa nalangkit nga mga risgo sa kahimsog ug kaluwasan. Ang pagdiskubre sa usa ka antimicrobial agent nga dili kaayo makadaot sa mga tawo ug pagpangita kung giunsa kini ilakip sa mga coating substrates nga adunay mas taas nga shelf life usa ka gipangita nga tumong38. Ang pinakabag-o nga antimicrobial ug anti-biofilm nga mga materyales gidisenyo aron patyon ang bakterya sa duol nga distansya, pinaagi sa direktang kontak o pagkahuman gipagawas ang aktibo nga ahente. Mahimo nila kini pinaagi sa pagpugong sa inisyal nga bacterial adhesion (lakip ang pagsukol sa pagporma sa usa ka protein layer sa ibabaw) o pinaagi sa pagpatay sa bakterya pinaagi sa pagpanghilabot sa cell wall.
Sa sukaranan, ang surface coating mao ang proseso sa pagbutang og laing layer sa ibabaw sa usa ka component aron mapauswag ang mga kalidad nga may kalabutan sa ibabaw. Ang tumong sa surface coating mao ang pagpahaum sa microstructure ug/o komposisyon sa near-surface region sa component.39. Ang mga teknik sa surface coating mahimong bahinon sa lain-laing mga pamaagi, nga gisumada sa Fig. 2a. Ang mga coating mahimong bahinon sa thermal, kemikal, pisikal, ug electrochemical nga mga kategorya, depende sa pamaagi nga gigamit sa paghimo sa coating.
(a) Inset nga nagpakita sa mga nag-unang teknik sa paggama nga gigamit para sa nawong, ug (b) pinili nga mga bentaha ug disbentaha sa teknik sa cold spray.
Ang teknolohiya sa cold spray adunay daghang pagkaparehas sa naandan nga mga pamaagi sa thermal spray. Bisan pa, adunay usab pipila ka hinungdanon nga sukaranan nga mga kabtangan nga naghimo sa proseso sa cold spray ug mga materyales sa cold spray nga labi ka talagsaon. Ang teknolohiya sa cold spray naa pa sa sinugdanan, apan adunay hayag nga kaugmaon. Sa pipila ka mga aplikasyon, ang talagsaon nga mga kabtangan sa cold spray nagtanyag daghang mga benepisyo, nga nakabuntog sa mga limitasyon sa tipikal nga mga pamaagi sa thermal spray. Naghatag kini usa ka paagi aron mabuntog ang hinungdanon nga mga limitasyon sa tradisyonal nga teknolohiya sa thermal spray, diin ang pulbos kinahanglan nga matunaw aron madeposito sa substrate. Klaro nga kini nga tradisyonal nga proseso sa coating dili angay alang sa mga materyales nga sensitibo kaayo sa temperatura sama sa nanocrystals, nanoparticles, amorphous ug metallic glasses40, 41, 42. Dugang pa, ang mga materyales sa thermal spray coating kanunay nga nagpakita sa taas nga lebel sa porosity ug oxides. Ang teknolohiya sa cold spray adunay daghang hinungdanon nga mga bentaha kaysa sa teknolohiya sa thermal spray, sama sa (i) gamay nga input sa kainit sa substrate, (ii) pagka-flexible sa mga pagpili sa substrate coating, (iii) pagkawala sa phase transformation ug pagtubo sa lugas, (iv) taas nga kusog sa bond1,39 (Fig. 2b). Dugang pa, ang mga materyales sa cold spray coating adunay taas nga corrosion. resistensya, taas nga kusog ug katig-a, taas nga electrical conductivity ug taas nga densidad41.Sukwahi sa mga bentaha sa proseso sa cold spray, aduna gihapoy pipila ka mga disbentaha sa paggamit niini nga teknik, sama sa gipakita sa Figure 2b.Kung mag-coat sa puro nga ceramic powders sama sa Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, ug uban pa, ang cold spray method dili magamit.Sa laing bahin, ang ceramic/metal composite powders mahimong gamiton isip hilaw nga materyales alang sa mga coatings.Mao usab kini alang sa ubang mga pamaagi sa thermal spray.Ang mga komplikado nga nawong ug mga nawong sa sulod sa tubo lisod gihapon i-spray.
Tungod kay ang kasamtangang trabaho nagtumong sa paggamit sa metalikong bildo nga mga pulbos isip hilaw nga materyales sa pagtabon, klaro nga ang naandan nga thermal spraying dili magamit alang niini nga katuyoan. Kini tungod kay ang metalikong bildo nga mga pulbos mokristal sa taas nga temperatura1.
Kadaghanan sa mga himan nga gigamit sa industriya sa medisina ug pagkaon hinimo sa austenitic stainless steel alloys (SUS316 ug SUS304) nga adunay chromium content tali sa 12 ug 20 wt% para sa paghimo og mga instrumento sa operasyon. Kasagaran gidawat nga ang paggamit sa chromium metal isip usa ka alloying element sa steel alloys makapauswag pag-ayo sa resistensya sa kaagnasan sa standard steel alloys. Ang stainless steel alloys, bisan pa sa ilang taas nga resistensya sa kaagnasan, wala magpakita og hinungdanon nga antimicrobial nga mga kabtangan38,39. Kini sukwahi sa ilang taas nga resistensya sa kaagnasan. Pagkahuman niini, ang pag-uswag sa impeksyon ug panghubag mahimong matagna, nga kasagaran gipahinabo sa bacterial adhesion ug kolonisasyon sa ibabaw sa stainless steel biomaterials. Ang mga hinungdanon nga kalisud mahimong motumaw tungod sa hinungdanon nga mga kalisud nga nalangkit sa bacterial adhesion ug biofilm formation pathways, nga mahimong mosangpot sa pagkadaot sa kahimsog, nga mahimong adunay daghang mga sangputanan nga direkta o dili direkta nga makaapekto sa kahimsog sa tawo.
Kini nga pagtuon mao ang unang hugna sa usa ka proyekto nga gipondohan sa Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), Contract No. 2010-550401, aron imbestigahan ang posibilidad sa paghimo og metallic glassy Cu-Zr-Ni ternary powders gamit ang MA technology (Table 1) para sa paghimo og antibacterial film/SUS304 surface protection coating. Ang ikaduhang hugna sa proyekto, nga magsugod sa Enero 2023, magsusi sa electrochemical corrosion characteristics ug mechanical properties sa sistema sa detalyado. Ang detalyadong microbiological tests pagahimuon para sa lain-laing bacterial species.
Niini nga papel, ang epekto sa Zr alloying element content sa glass forming ability (GFA) gihisgutan base sa morphological ug structural characteristics. Dugang pa, ang antibacterial properties sa coated metallic glass powder coating/SUS304 composite gihisgutan usab. Dugang pa, gihimo ang kasamtangang trabaho aron imbestigahan ang posibilidad sa structural transformation sa metallic glass powders nga mahitabo atol sa cold spraying sulod sa subcooled liquid region sa fabricated metallic glass systems. Isip representante nga mga ehemplo, ang Cu50Zr30Ni20 ug Cu50Zr20Ni30 metallic glass alloys gigamit niini nga pagtuon.
Niini nga seksyon, gipresentar ang mga pagbag-o sa morpolohiya sa elemental nga Cu, Zr ug Ni nga mga pulbos sa low energy ball milling. Isip mga ehemplo, duha ka lain-laing sistema nga gilangkoban sa Cu50Zr20Ni30 ug Cu50Zr40Ni10 ang gamiton isip representante nga mga ehemplo. Ang proseso sa MA mahimong bahinon sa tulo ka managlahing yugto, sama sa gipakita sa metallographic characterization sa pulbos nga gihimo atol sa yugto sa paggaling (Figure 3).
Mga metallograpikong kinaiya sa mga mechanical alloy (MA) nga pulbos nga nakuha human sa lain-laing mga yugto sa oras sa ball milling. Ang mga hulagway sa field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) sa MA ug Cu50Zr40Ni10 nga pulbos nga nakuha human sa ubos nga enerhiya nga mga oras sa ball milling nga 3, 12 ug 50 ka oras gipakita sa (a), (c) ug (e) para sa Cu50Zr20Ni30 nga sistema, samtang sa parehas nga MA Ang katugbang nga mga hulagway sa Cu50Zr40Ni10 nga sistema nga gikuha human sa oras gipakita sa (b), (d) ug (f).
Atol sa ball milling, ang epektibong kinetic energy nga mahimong ibalhin ngadto sa metal powder apektado sa kombinasyon sa mga parameter, sama sa gipakita sa Fig. 1a. Naglakip kini sa mga bangga tali sa mga bola ug powder, compressive shearing sa powder nga natanggong taliwala o taliwala sa grinding media, epekto sa mga nahulog nga bola, shear ug wear tungod sa powder drag taliwala sa naglihok nga ball milling media, ug shock wave nga moagi sa mga nahulog nga bola nga mikaylap sa mga crop load (Fig. 1a). Ang mga elemental nga Cu, Zr, ug Ni powder grabe nga na-deform tungod sa cold welding sa sayong yugto sa MA (3 ka oras), nga miresulta sa dagkong mga partikulo sa powder (>1 mm ang diametro). Kini nga dagkong mga composite particle gihulagway pinaagi sa pagporma sa baga nga mga layer sa alloying elements (Cu, Zr, Ni), sama sa gipakita sa Fig. 3a,b. Ang pagdugang sa oras sa MA ngadto sa 12 ka oras (intermediate stage) miresulta sa pagtaas sa kinetic energy sa ball mill, nga miresulta sa pagkadunot sa composite powder ngadto sa mas pino nga mga powder (ubos sa 200 µm), sama sa gipakita sa Fig. 3c,d. Niini nga yugto, ang gigamit nga shear force mosangpot sa pagporma sa usa ka bag-ong nawong sa metal nga adunay pino nga mga lut-od sa Cu, Zr, Ni, sama sa gipakita sa Fig. 3c,d. Ingon usa ka resulta sa pagpino sa lut-od, ang mga reaksyon sa solid phase mahitabo sa interface sa mga flakes aron makamugna og bag-ong mga hugna.
Sa kinapungkayan sa proseso sa MA (human sa 50 ka oras), ang flaky metallography gamay ra kaayo ang makita (Fig. 3e,f), apan ang pinasinaw nga nawong sa pulbos nagpakita og mirror metallography. Kini nagpasabot nga ang proseso sa MA nahuman na ug ang paghimo og usa ka hugna sa reaksyon nahitabo na. Ang elemental nga komposisyon sa mga rehiyon nga gi-index sa Fig. 3e (I, II, III), f, v, vi) gitino pinaagi sa paggamit sa field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) inubanan sa energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) (IV).
Sa Talaan 2, ang mga konsentrasyon sa elemento sa alloying gipakita isip porsyento sa kinatibuk-ang gibug-aton sa matag rehiyon nga gipili sa Fig. 3e,f. Kung itandi kini nga mga resulta sa sinugdanan nga nominal nga komposisyon sa Cu50Zr20Ni30 ug Cu50Zr40Ni10 nga gilista sa Talaan 1, makita nga ang mga komposisyon niining duha ka katapusang produkto adunay parehas nga mga kantidad sa nominal nga komposisyon. Dugang pa, ang relatibong mga kantidad sa sangkap alang sa mga rehiyon nga gilista sa Fig. 3e,f wala magpasabot ug dakong pagkadaot o pag-usab-usab sa komposisyon sa matag sample gikan sa usa ka rehiyon ngadto sa lain. Kini gipamatud-an sa kamatuoran nga walay pagbag-o sa komposisyon gikan sa usa ka rehiyon ngadto sa lain. Kini nagpunting sa paghimo sa homogenous nga mga pulbos sa haluang metal, sama sa gipakita sa Talaan 2.
Ang mga FE-SEM micrograph sa katapusang produkto nga Cu50(Zr50−xNix) nga pulbos nakuha human sa 50 MA nga mga panahon, sama sa gipakita sa Fig. 4a–d, diin ang x kay 10, 20, 30 ug 40 at.%, matag usa. Human niining lakang sa paggaling, ang pulbos mag-aggregate tungod sa van der Waals effect, nga miresulta sa pagporma sa dagkong mga aggregate nga gilangkoban sa ultrafine nga mga partikulo nga adunay mga diametro gikan sa 73 ngadto sa 126 nm, sama sa gipakita sa Figure 4.
Ang mga kinaiya sa morpolohiya sa mga pulbos nga Cu50(Zr50−xNix) nga nakuha human sa 50 ka oras nga oras sa MA. Alang sa mga sistema sa Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, ang mga imahe sa FE-SEM sa mga pulbos nga nakuha human sa 50 ka oras sa MA gipakita sa (a), (b), (c) ug (d), matag usa.
Sa dili pa ibutang ang mga pulbos sa usa ka bugnaw nga spray feeder, kini gi-sonicate una sa analytical grade ethanol sulod sa 15 minutos ug dayon gipauga sa 150°C sulod sa 2 ka oras. Kini nga lakang kinahanglan buhaton aron malampuson nga masumpo ang agglomeration nga kanunay hinungdan sa daghang hinungdanon nga mga problema sa tibuuk nga proseso sa coating. Pagkahuman sa proseso sa MA, gihimo ang dugang nga mga karakterisasyon aron imbestigahan ang homogeneity sa mga pulbos sa alloy. Ang Figure 5a–d nagpakita sa FE-SEM micrographs ug ang katugbang nga mga imahe sa EDS sa mga elemento sa Cu, Zr ug Ni alloying sa Cu50Zr30Ni20 alloy nga nakuha pagkahuman sa 50 ka oras nga M nga oras, matag usa. Kinahanglan nga matikdan nga ang mga pulbos sa alloy nga gihimo pagkahuman niini nga lakang homogenous tungod kay wala kini magpakita bisan unsang mga pag-usab-usab sa komposisyon nga lapas sa lebel sa sub-nanometer, sama sa gipakita sa Figure 5.
Morpolohiya ug lokal nga distribusyon sa elemento sa MG Cu50Zr30Ni20 nga pulbos nga nakuha human sa 50 MA nga mga panahon pinaagi sa FE-SEM/energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).(a) SEM ug X-ray EDS mapping sa (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα ug (d) Ni-Kα nga mga imahe.
Ang mga XRD pattern sa mechanically alloyed Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 ug Cu50Zr20Ni30 nga mga pulbos nga nakuha pagkahuman sa MA nga oras nga 50 ka oras gipakita sa Fig. 6a–d, matag usa. Pagkahuman niini nga yugto sa paggaling, ang tanan nga mga sample nga adunay lainlaing mga konsentrasyon sa Zr nagpakita og mga amorphous nga istruktura nga adunay kinaiya nga mga sumbanan sa halo diffusion nga gipakita sa Fig. 6.
Ang mga XRD pattern sa (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 ug (d) Cu50Zr20Ni30 nga mga pulbos human sa MA nga oras nga 50 ka oras. Ang tanang mga sample, walay eksepsiyon, nagpakita og halo diffusion pattern, nga nagpasabot sa pagporma sa usa ka amorphous phase.
Ang field emission high-resolution transmission electron microscopy (FE-HRTEM) gigamit aron maobserbahan ang mga pagbag-o sa istruktura ug masabtan ang lokal nga istruktura sa mga pulbos nga resulta sa ball milling sa lainlaing mga oras sa MA. Ang mga imahe sa FE-HRTEM sa mga pulbos nga nakuha pagkahuman sa sayo (6 ka oras) ug intermediate (18 ka oras) nga mga yugto sa paggaling alang sa mga pulbos nga Cu50Zr30Ni20 ug Cu50Zr40Ni10 gipakita sa Fig. 7a,c, matag usa. Sumala sa bright field image (BFI) sa pulbos nga gihimo pagkahuman sa MA​​ 6 ka oras, ang pulbos gilangkoban sa dagkong mga lugas nga adunay klaro nga mga utlanan sa mga elemento nga fcc-Cu, hcp-Zr ug fcc-Ni, ug walay timailhan nga naporma na ang hugna sa reaksyon, sama sa gipakita sa Fig. 7a. Dugang pa, ang correlated selected area diffraction pattern (SADP) nga gikuha gikan sa tunga nga rehiyon sa (a) nagpadayag usa ka cusp diffraction pattern (Fig. 7b), nga nagpakita sa presensya sa dagkong mga kristal ug ang pagkawala sa usa ka reactive phase.
Lokal nga estruktural nga kinaiya sa MA powder nga nakuha human sa sayo (6 ka oras) ug intermediate (18 ka oras) nga mga yugto. (a) Field emission high resolution transmission electron microscopy (FE-HRTEM), ug (b) ang katugbang nga napili nga area diffraction pattern (SADP) sa Cu50Zr30Ni20 powder human sa MA treatment sulod sa 6 ka oras. Ang FE-HRTEM nga imahe sa Cu50Zr40Ni10 nga nakuha human sa MA time nga 18 ka oras gipakita sa (c).
Sama sa gipakita sa Fig. 7c, ang pagpalugway sa gidugayon sa MA ngadto sa 18 ka oras miresulta sa grabe nga mga depekto sa lattice inubanan sa plastic deformation. Atol niining intermediate nga yugto sa proseso sa MA, ang pulbos nagpakita sa lain-laing mga depekto, lakip ang mga stacking fault, mga depekto sa lattice, ug mga depekto sa point (Figure 7). Kini nga mga depekto hinungdan sa pagkabahin sa dagkong mga lugas subay sa ilang mga utlanan sa lugas ngadto sa mga subgrain nga adunay gidak-on nga ubos sa 20 nm (Fig. 7c).
Ang lokal nga istruktura sa Cu50Z30Ni20 powder nga gigaling sulod sa 36 ka oras nga MA time adunay pormasyon sa ultrafine nanograins nga nasulod sa usa ka amorphous fine matrix, sama sa gipakita sa Fig. 8a. Ang lokal nga pag-analisa sa EDS nagpakita nga kadtong mga nanocluster nga gipakita sa Fig. 8a nalangkit sa wala maproseso nga Cu, Zr ug Ni powder alloying elements. Sa samang higayon, ang Cu content sa matrix nag-usab-usab gikan sa ~32 at.% (lean area) ngadto sa ~74 at.% (rich area), nga nagpakita sa pormasyon sa heterogeneous nga mga produkto. Dugang pa, ang katugbang nga SADPs sa mga powder nga nakuha human sa paggaling niini nga yugto nagpakita sa halo-diffusing primary ug secondary rings sa amorphous phase, nga nagsapaw sa mga hait nga punto nga nalangkit sa mga hilaw nga alloying elements, sama sa gipakita sa Fig. 8b.
Labaw pa sa 36 h-Cu50Zr30Ni20 nga pulbos nga nanoscale lokal nga istruktura nga bahin.(a) Hayag nga imahe sa natad (BFI) ug katugbang (b) SADP sa pulbos nga Cu50Zr30Ni20 nga nakuha pagkahuman sa paggaling sulod sa 36 h nga oras sa MA.
Duol sa katapusan sa proseso sa MA (50 ka oras), ang Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 ug 40 at.% nga mga pulbos kanunay adunay labyrinthine amorphous phase morphology sama sa gipakita sa Fig. 9a–d. Sa katugbang nga SADP sa matag komposisyon, walay nakitang point-like diffractions o sharp annular patterns. Kini nagpakita nga walay wala maproseso nga crystalline metal, apan usa ka amorphous alloy powder ang naporma. Kini nga mga correlated SADPs nga nagpakita sa halo diffusion patterns gigamit usab isip ebidensya alang sa pag-uswag sa amorphous phases sa final product material.
Lokal nga istruktura sa katapusang produkto sa sistema sa MG Cu50 (Zr50−xNix). FE-HRTEM ug correlated nanobeam diffraction patterns (NBDP) sa (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 ug (d) Cu50Zr10Ni40 nga nakuha human sa 50 ka oras nga MA.
Ang thermal stability sa glass transition temperature (Tg), subcooled liquid region (ΔTx) ug crystallization temperature (Tx) isip function sa Ni content (x) sa amorphous Cu50(Zr50−xNix) system gisusi gamit ang differential scanning Calorimetry (DSC) sa mga kabtangan ubos sa He gas flow. Ang DSC traces sa Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 ug Cu50Zr10Ni40 amorphous alloy powders nga nakuha human sa MA time nga 50 h gipakita sa Fig. 10a, b, e, matag usa. Samtang ang DSC curve sa amorphous Cu50Zr20Ni30 gipakita nga gilain sa Fig. 10c. Samtang, ang Cu50Zr30Ni20 sample nga gipainit ngadto sa ~700 °C sa DSC gipakita sa Fig. 10d.
Kalig-on sa kainit sa mga pulbos sa Cu50(Zr50−xNix) MG nga nakuha human sa 50 ka oras nga MA time, sumala sa gi-index sa glass transition temperature (Tg), crystallization temperature (Tx), ug subcooled liquid region (ΔTx). Differential scanning calorimeter (DSC) thermograms sa (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 ug (e) Cu50Zr10Ni40 MG alloy powders human sa 50 ka oras nga MA time. Ang X-ray diffraction (XRD) pattern sa Cu50Zr30Ni20 sample nga gipainit ngadto sa ~700 °C sa DSC gipakita sa (d).
Sama sa gipakita sa Figure 10, ang mga kurba sa DSC sa tanang komposisyon nga adunay lain-laing konsentrasyon sa Ni (x) nagpakita og duha ka lain-laing kaso, ang usa endothermic ug ang lain exothermic. Ang unang endothermic nga panghitabo katumbas sa Tg, samtang ang ikaduha may kalabutan sa Tx. Ang pinahigda nga rehiyon sa gilapdon nga anaa tali sa Tg ug Tx gitawag nga subcooled liquid region (ΔTx = Tx – Tg). Ang mga resulta nagpakita nga ang Tg ug Tx sa Cu50Zr40Ni10 sample (Fig. 10a), nga gibutang sa 526°C ug 612°C, nagbalhin sa sulod (x) ngadto sa 20 at.% padulong sa ubos nga temperatura nga bahin nga 482°C ug 563°C uban ang pagtaas sa sulod sa Ni (x), matag usa, sama sa gipakita sa Figure 10b. Tungod niini, ang ΔTx sa Cu50Zr40Ni10 mikunhod gikan sa 86 °C (Fig. 10a) ngadto sa 81 °C para sa Cu50Zr30Ni20 (Fig. 1). 10b). Alang sa MG Cu50Zr40Ni10 alloy, naobserbahan usab nga ang mga kantidad sa Tg, Tx ug ΔTx mikunhod ngadto sa lebel nga 447°C, 526°C ug 79°C (Fig. 10b). Kini nagpakita nga ang pagtaas sa sulod sa Ni mosangpot sa pagkunhod sa thermal stability sa MG alloy. Sa kasukwahi, ang kantidad sa Tg (507 °C) sa MG Cu50Zr20Ni30 alloy mas ubos kaysa sa MG Cu50Zr40Ni10 alloy; bisan pa niana, ang Tx niini nagpakita og ikatandi nga kantidad sa nauna (612 °C). Busa, ang ΔTx nagpakita og mas taas nga kantidad (87°C), sama sa gipakita sa Fig. 10c.
Ang sistemang MG Cu50(Zr50−xNix), nga naggamit sa MG Cu50Zr20Ni30 alloy isip ehemplo, nagkristal pinaagi sa usa ka mahait nga exothermic peak ngadto sa mga crystal phase sa fcc-ZrCu5, orthorhombic-Zr7Cu10 ug orthorhombic-ZrNi (Fig. 10c). Kini nga amorphous ngadto sa crystalline phase transition gikumpirma sa XRD sa MG sample (Fig. 10d), nga gipainit ngadto sa 700 °C sa DSC.
Ang Figure 11 nagpakita sa mga litrato nga gikuha atol sa proseso sa cold spray nga gihimo sa kasamtangang trabaho. Niini nga pagtuon, ang mga metal nga sama sa bildo nga mga partikulo sa pulbos nga gi-synthesize pagkahuman sa 50 ka oras nga MA (gikuha ang Cu50Zr20Ni30 isip pananglitan) gigamit isip antibacterial nga hilaw nga materyales, ug ang stainless steel plate (SUS304) gi-coat gamit ang cold spraying technology. Ang cold spray method gipili alang sa coat sa thermal spray technology series tungod kay kini ang labing episyente nga pamaagi sa thermal spray series ug magamit alang sa metal metastable temperature sensitive materials sama sa amorphous ug nanocrystalline powders, nga dili maagian sa phase transitions. Kini ang pangunang hinungdan sa pagpili niini nga pamaagi. Ang proseso sa cold spray gihimo pinaagi sa paggamit sa high-velocity nga mga partikulo nga nag-convert sa kinetic energy sa mga partikulo ngadto sa plastic deformation, strain ug heat sa pag-igo sa substrate o kaniadto nadeposito nga mga partikulo.
Ang mga litrato sa field nagpakita sa pamaagi sa cold spray nga gigamit alang sa lima ka sunod-sunod nga pagpangandam sa MG coating/SUS 304 sa 550 °C.
Ang kinetic energy sa mga partikulo, ug busa ang momentum sa matag partikulo sa coating formation, kinahanglan nga mabag-o ngadto sa ubang mga porma sa enerhiya pinaagi sa mga mekanismo sama sa plastic deformation (inisyal nga interaksyon sa partikulo ug partikulo-particle sa substrate ug particle interaction), voids Consolidation, particle-particle rotation, strain ug sa katapusan heat 39. Dugang pa, kon dili tanang mosulod nga kinetic energy mabag-o ngadto sa heat ug strain energy, ang resulta usa ka elastic collision, nga nagpasabot nga ang mga partikulo mobalik ra human sa impact. Gipunting nga 90% sa impact energy nga gigamit sa partikulo/substrate material mabag-o ngadto sa local heat 40. Dugang pa, kon ang impact stress ipadapat, taas nga plastic strain rates ang makab-ot sa contact particle/substrate region sa mubo nga panahon 41,42.
Ang plastic deformation kasagarang giisip nga usa ka proseso sa pagkawala sa enerhiya, o mas espesipiko, usa ka tinubdan sa kainit sa interfacial region. Bisan pa, ang pagtaas sa temperatura sa interfacial region kasagaran dili igo aron makahimo og interfacial melting o aron mapalambo pag-ayo ang atomic interdiffusion. Walay publikasyon nga nahibal-an sa mga tagsulat nga nagsusi sa epekto sa mga kabtangan niining mga metallic glassy powder sa powder adhesion ug deposition nga mahitabo kung gigamit ang mga pamaagi sa cold spray.
Ang BFI sa MG Cu50Zr20Ni30 alloy powder makita sa Fig. 12a, nga gi-coat sa SUS 304 substrate (Figs. 11, 12b). Sama sa makita sa figure, ang gi-coat nga mga powder nagpabilin sa ilang orihinal nga amorphous structure tungod kay kini adunay delikado nga labyrinth structure nga walay bisan unsang crystalline features o lattice defects. Sa laing bahin, ang image nagpakita sa presensya sa usa ka extraneous phase, sama sa gisugyot sa mga nanoparticles nga gi-incorporate sa MG-coated powder matrix (Fig. 12a). Ang Figure 12c nagpakita sa indexed nanobeam diffraction pattern (NBDP) nga nalangkit sa region I (Figure 12a). Sama sa gipakita sa Fig. 12c, ang NBDP nagpakita sa usa ka weak halo diffusion pattern sa amorphous structure ug nag-coexist uban sa mga sharp patches nga katumbas sa crystalline large cubic Zr2Ni metastable plus tetragonal CuO phase. Ang pagporma sa CuO mahimong ikapasangil sa oxidation sa powder kung mobiyahe gikan sa nozzle sa spray gun ngadto sa SUS 304 sa bukas nga hangin ubos sa supersonic nga pag-agos. Sa laing bahin, ang devitrification sa metallic glassy powders nakab-ot ang pagporma sa dagkong cubic phases human sa cold spray treatment sa 550 °C sulod sa 30 min.
(a) Imahe sa FE-HRTEM sa MG powder nga giputos sa (b) SUS 304 substrate (inset sa hulagway). Ang index NBDP sa lingin nga simbolo nga gipakita sa (a) gipakita sa (c).
Aron mapamatud-an kini nga potensyal nga mekanismo alang sa pagporma sa dagkong cubic Zr2Ni nanoparticles, usa ka independente nga eksperimento ang gihimo. Niini nga eksperimento, ang mga pulbos gi-spray gikan sa usa ka spray gun sa 550 °C padulong sa SUS 304 substrate; bisan pa, aron maklaro ang epekto sa annealing sa mga pulbos, kini gikuha gikan sa SUS304 strip sa labing madali (mga 60 segundos). Laing hugpong sa mga eksperimento ang gihimo diin ang pulbos gikuha gikan sa substrate mga 180 segundos pagkahuman sa deposition.
Ang mga Hulagway 13a, b nagpakita sa mga imahe sa dark field (DFI) nga nakuha pinaagi sa scanning transmission electron microscopy (STEM) sa duha ka sprayed nga materyales nga gideposito sa SUS 304 substrates sulod sa 60 segundos ug 180 segundos, matag usa. Ang imahe sa pulbos nga gideposito sulod sa 60 segundos walay morphological detail, nga nagpakita sa featurelessness (Fig. 13a). Kini gikumpirma usab sa XRD, nga nagpakita nga ang kinatibuk-ang istruktura niining mga pulbos kay amorphous, sama sa gipakita sa lapad nga primary ug secondary diffraction maxima nga gipakita sa Hulagway 14a. Kini nagpakita sa pagkawala sa metastable/mesophase precipitation, diin ang pulbos nagpabilin sa orihinal nga amorphous nga istruktura niini. Sa kasukwahi, ang pulbos nga gi-spray sa parehas nga temperatura (550 °C), apan gibilin sa substrate sulod sa 180 segundos, nagpakita sa precipitation sa nano-sized nga mga lugas, sama sa gipakita sa mga pana sa Hulagway 13b.