Tankewol foar jo besite oan Nature.com. De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde stipe foar CSS. Foar de bêste ûnderfining advisearje wy jo in bywurke browser te brûken (of kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer út te skeakeljen). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side sûnder stilen en JavaScript werjaan.
Biofilms binne in wichtige komponint yn 'e ûntwikkeling fan groanyske ynfeksjes, foaral as medyske apparaten belutsen binne. Dit probleem presintearret in enoarme útdaging foar de medyske mienskip, om't standert antibiotika biofilms mar yn beheinde mate kinne útrûgje. It foarkommen fan biofilmfoarming hat laat ta de ûntwikkeling fan ferskate coatingmetoaden en nije materialen. Dizze metoaden binne bedoeld om oerflakken te coaten op in manier dy't biofilmfoarming remt. Metallyske glêsachtige legeringen, foaral dyjingen dy't koper- en titaniummetalen befetsje, binne ûntstien as ideale antimikrobiële coatings. Tagelyk is it gebrûk fan kâlde spuittechnology tanommen, om't it in geskikte metoade is foar it ferwurkjen fan temperatuergefoelige materialen. In diel fan it doel fan dizze stúdzje wie it ûntwikkeljen fan in nije antibakteriële film fan metallysk glês besteande út ternaire Cu-Zr-Ni mei help fan meganyske legeringstechniken. It sferyske poeier dat it einprodukt foarmet, wurdt brûkt as grûnstof foar kâlde spuitcoating fan roestfrij stielen oerflakken by lege temperatueren. Substraten bedekt mei metallysk glês wiene yn steat om biofilmfoarming signifikant te ferminderjen mei teminsten 1 log yn ferliking mei roestfrij stiel.
Troch de minsklike skiednis hinne hat elke maatskippij de ynfiering fan nije materialen ûntwerpe en befoarderje kinnen dy't foldogge oan har spesifike easken, wat resultearre hat yn ferbettere prestaasjes en ranglist yn in globalisearre ekonomy1. It is altyd taskreaun oan it minsklik fermogen om materialen en fabrikaazjeapparatuer en ûntwerpen te ûntwikkeljen foar materiaalfabrikaazje en karakterisaasje om winst te berikken yn sûnens, ûnderwiis, yndustry, ekonomy, kultuer en oare fjilden fan it iene lân of regio nei it oare. Foarútgong wurdt metten, ûnôfhinklik fan lân of regio.2 Al 60 jier hawwe materiaalwittenskippers in grut part fan har tiid wijd oan it fokusjen op ien wichtige soarch: it stribjen nei nije en baanbrekkende materialen. Resint ûndersyk hat him rjochte op it ferbetterjen fan 'e kwaliteit en prestaasjes fan besteande materialen, lykas it synthesisearjen en útfine fan folslein nije soarten materialen.
De tafoeging fan legearingseleminten, de modifikaasje fan 'e mikrostruktuer fan it materiaal, en de tapassing fan termyske, meganyske of thermo-mechanyske ferwurkingstechniken hawwe resultearre yn wichtige ferbetteringen yn 'e meganyske, gemyske en fysike eigenskippen fan in ferskaat oan ferskillende materialen. Fierder binne oant no ta ûnhearde ferbiningen op dit punt mei súkses synthetisearre. Dizze oanhâldende ynspanningen hawwe in nije famylje fan ynnovative materialen opsmiten, kollektyf bekend as Avansearre Materialen2. Nanokristallen, nanopartikels, nanobuizen, kwantumdots, nul-dimensjonale, amorfe metalen glêzen, en legeringen mei hege entropie binne mar in pear foarbylden fan avansearre materialen dy't sûnt it midden fan 'e foarige ieu yn 'e wrâld yntrodusearre binne. By it produsearjen en ûntwikkeljen fan nije legeringen mei superieure eigenskippen, of yn it einprodukt of yn 'e tuskenlizzende stadia fan syn produksje, wurdt faak it probleem fan útbalâns tafoege. As gefolch fan it ymplementearjen fan nije fabrikaazjetechniken om signifikant ôf te wiken fan lykwicht, is in hiele nije klasse fan metastabiele legeringen, bekend as metalen glêzen, ûntdutsen.
Syn wurk oan Caltech yn 1960 brocht in revolúsje yn it konsept fan metaallegeringen doe't hy glêzige Au-25 at.% Si-legeringen synthetisearre troch floeistoffen rap te stollen mei hast in miljoen graden per sekonde 4. De ûntdekkingsgebeurtenis fan professor Pol Duwezs markearre net allinich it begjin fan 'e skiednis fan metallyske glêzen (MG), mar late ek ta in paradigmaferskowing yn 'e manier wêrop minsken tinke oer metaallegeringen. Sûnt de ierste baanbrekkende stúdzjes yn 'e synteze fan MG-legeringen binne hast alle metallyske glêzen folslein produsearre mei ien fan' e folgjende metoaden; (i) rappe stolling fan 'e smelt of stoom, (ii) atomêre wanorde fan it rooster, (iii) amorfisaasjereaksjes yn fêste steat tusken suvere metaaleleminten, en (iv) oergongen yn fêste steat fan metastabiele fazen.
MG's ûnderskiede har troch har gebrek oan de lange-ôfstâns atomêre oarder dy't assosjeare wurdt mei kristallen, wat in definiearjend skaaimerk is fan kristallen. Yn 'e hjoeddeiske wrâld is grutte foarútgong boekt op it mêd fan metallysk glês. It binne nije materialen mei nijsgjirrige eigenskippen dy't net allinich fan belang binne yn fêste-stof natuerkunde, mar ek yn metallurgy, oerflakgemy, technology, biology en in protte oare fjilden. Dit nije type materiaal fertoant ûnderskate eigenskippen fan fêste metalen, wêrtroch it in nijsgjirrige kandidaat is foar technologyske tapassingen yn in ferskaat oan fjilden. Se hawwe wat wichtige eigenskippen; (i) hege meganyske duktyliteit en reksterkte, (ii) hege magnetyske permeabiliteit, (iii) lege koërsiviteit, (iv) ungewoane korrosjebestriding, (v) temperatuerûnôfhinklikens. De konduktiviteit fan 6,7.
Mechanysk legerjen (MA)1,8 is in relatyf nije technyk, earst yntrodusearre yn 19839 troch prof. CC Kock en kollega's. Se makken amorfe Ni60Nb40-poeders troch in mingsel fan suvere eleminten te malen by keamertemperatueren tige ticht by keamertemperatuer. Typysk wurdt de MA-reaksje útfierd tusken diffusive koppeling fan 'e reaktantmateriaalpoeiers yn in reaktor, meastentiids makke fan roestfrij stiel yn in kûgelmûne 10 (Fig. 1a, b). Sûnt dy tiid is dizze meganysk ynducearre fêste-steat-reaksjetechnyk brûkt om nije amorfe/metallyske glêslegeringpoeiers te meitsjen mei lege (Fig. 1c) en hege enerzjykûgelmûnen, lykas stêfmûnen11,12,13,14,15,16. Yn it bysûnder is dizze metoade brûkt om net-mingbere systemen lykas Cu-Ta17 te meitsjen, lykas hege smeltpuntlegeringen lykas Al-oergongsmetaalsystemen (TM; Zr, Hf, Nb en Ta)18,19 en Fe-W20, dy't net kinne wurde krigen mei konvinsjonele tariedingsrûtes. Fierder wurdt MA beskôge as ien fan 'e machtichste nanotechnology-ark foar de tarieding fan nanokristallijne en nanokomposite poeierdieltsjes op yndustriële skaal fan metaaloxiden, karbiden, nitriden, hydriden, koalstofnanobuizen, nanodiamanten, Lykas brede stabilisaasje fia in top-down oanpak 1 en metastabiele stadia.
Skematysk diagram dat de fabrikaazjemetoade sjen lit dy't brûkt waard om Cu50(Zr50−xNix) metallysk glês (MG) coating/SUS 304 yn dizze stúdzje ta te rieden. (a) Tarieding fan MG-legearingpoeders mei ferskate Ni-konsintraasjes x (x; 10, 20, 30 en 40 at.%) mei help fan 'e lege-enerzjy kûgelfreestechnyk. (a) It útgongsmateriaal wurdt tegearre mei stielen arkballen yn in arksilinder laden, en (b) wurdt fersegele yn in wantenkast fol mei He-atmosfear. (c) In transparant model fan it slypfat dat de beweging fan 'e bal tidens it slypjen yllustrearret. It einprodukt fan it poeier dat nei 50 oeren krigen waard, waard brûkt om it SUS 304-substraat te coaten mei de kâlde spuitmetoade (d).
As it giet om oerflakken fan bulkmateriaal (substraten), omfettet oerflaktechnyk it ûntwerp en de modifikaasje fan oerflakken (substraten) om bepaalde fysike, gemyske en technyske kwaliteiten te leverjen dy't net yn it orizjinele bulkmateriaal oanwêzich binne. Guon eigenskippen dy't effektyf ferbettere wurde kinne troch oerflakbehannelingen omfetsje slijtvastheid, oksidaasje- en korrosjebestriding, wriuwingskoëffisjint, bio-inertiteit, elektryske eigenskippen en termyske isolaasje, om mar in pear te neamen. De oerflakkwaliteit kin ferbettere wurde troch metallurgyske, meganyske of gemyske techniken te brûken. As in bekend proses wurdt in coating gewoan definiearre as ien of meardere lagen materiaal dy't keunstmjittich ôfset binne op it oerflak fan in bulkobjekt (substraat) makke fan in oar materiaal. Sa wurde coatings foar in part brûkt om bepaalde winske technyske of dekorative eigenskippen te berikken, lykas om materialen te beskermjen tsjin ferwachte gemyske en fysike ynteraksjes mei de omjouwing23.
Om geskikte oerflakbeskermingslagen oan te bringen mei diktes fariearjend fan in pear mikrometer (ûnder 10-20 mikrometer) oant mear as 30 mikrometer of sels in pear millimeters, kinne in protte metoaden en techniken tapast wurde. Yn 't algemien kinne coatingprosessen wurde ferdield yn twa kategoryen: (i) wiete coatingmetoaden, ynklusyf elektroplating, elektrolytysk plating en hjitgalvanisaasjemetoaden, en (ii) droege coatingmetoaden, ynklusyf soldering, oerflakbedekking, fysike dampôfsetting (PVD), gemyske dampôfsetting (CVD), termyske spuittechniken en koartlyn kâlde spuittechniken 24 (Fig. 1d).
Biofilms wurde definiearre as mikrobiële mienskippen dy't ûnomkearber oan oerflakken fêstmakke binne en omjûn binne troch sels produsearre ekstrasellulêre polymearen (EPS). Oerflakkich folwoeksen biofilmfoarming kin liede ta wichtige ferliezen yn in protte yndustriële sektoaren, ynklusyf de fiedingssektor, wettersystemen en sûnenssoarchomjouwings. By minsken, as biofilms foarmje, binne mear as 80% fan 'e gefallen fan mikrobiële ynfeksjes (ynklusyf Enterobacteriaceae en Staphylococci) lestich te behanneljen. Fierder is rapportearre dat folwoeksen biofilms 1000 kear mear resistint binne foar antibiotika-behanneling yn ferliking mei planktonyske baktearjesellen, wat wurdt beskôge as in grutte terapeutyske útdaging. Antimikrobiële oerflakcoatingmaterialen ôflaat fan konvinsjonele organyske ferbiningen binne histoarysk brûkt. Hoewol sokke materialen faak giftige komponinten befetsje dy't potinsjeel riskant binne foar minsken,25,26 kin it helpe om baktearjele oerdracht en materiaalferneatiging te foarkommen.
De wiidfersprate wjerstân fan baktearjes tsjin antibiotika-behannelingen fanwegen biofilmfoarming hat laat ta de needsaak om in effektyf antimikrobiële membraan-coated oerflak te ûntwikkeljen dat feilich oanbrocht wurde kin27. De ûntwikkeling fan in fysyk of gemysk anty-adhesive oerflak wêrop baktearjesellen wurde ynhibearre om te binen en biofilms te bouwen fanwegen adhesion is de earste oanpak yn dit proses27. De twadde technology is it ûntwikkeljen fan coatings dy't it mooglik meitsje om antimikrobiële gemikaliën presys te leverjen wêr't se nedich binne, yn tige konsintrearre en oanpaste hoemannichten. Dit wurdt berikt troch it ûntwikkeljen fan unike coatingmaterialen lykas grafeen/germanium28, swarte diamant29 en ZnO-dopearre diamant-achtige koalstofcoatings30 dy't resistint binne foar baktearjes, in technology dy't toksisiteit en resistinsjeûntwikkeling troch biofilmfoarming maksimalisearret, wurde signifikant fermindere. Derneist wurde coatings dy't kiemdodende gemikaliën yn oerflakken opnimme om lange-termyn beskerming te bieden tsjin baktearjele fersmoarging hieltyd populêrder. Hoewol alle trije prosedueres yn steat binne om antimikrobiële effekten te produsearjen op coated oerflakken, hawwe se elk har eigen set beheiningen dy't moatte wurde beskôge by it ûntwikkeljen fan tapassingsstrategyen.
Produkten dy't op it stuit op 'e merk binne, wurde beheind troch te min tiid om beskermjende coatings te analysearjen en te testen op biologysk aktive yngrediïnten. Bedriuwen beweare dat har produkten brûkers winsklike funksjonele aspekten sille leverje; dit is lykwols in obstakel west foar it súkses fan produkten dy't op it stuit op 'e merk binne. Ferbiningen ôflaat fan sulver wurde brûkt yn 'e grutte mearderheid fan antimikrobiële terapyen dy't no beskikber binne foar konsuminten. Dizze produkten binne ûntwikkele om brûkers te beskermjen tsjin de potinsjeel gefaarlike effekten fan mikroorganismen. It fertrage antimikrobiële effekt en de assosjeare toksisiteit fan sulverferbiningen fergruttet de druk op ûndersikers om in minder skealik alternatyf te ûntwikkeljen36,37. It meitsjen fan in wrâldwide antimikrobiële coating dy't binnen en bûten wurket, bliek noch altyd in lestige taak te wêzen. Dit komt fanwegen de assosjeare risiko's foar sawol sûnens as feiligens. It ûntdekken fan in antimikrobiële agint dy't minder skealik is foar minsken en útfine hoe't it yn coatingsubstraten kin wurde opnommen mei in langere houdbaarheid is in heul socht doel38. De lêste antimikrobiële en anti-biofilmmaterialen binne ûntworpen om baktearjes op koarte ôfstân te deadzjen, of troch direkt kontakt of nei't de aktive agint frijlitten is. Se kinne dit dwaan troch de earste baktearjele adhesion te remmen (ynklusyf it tsjingean fan 'e foarming fan in proteïnelaach op it oerflak) of troch baktearjes te deadzjen troch de selwand te bemuoien.
Yn prinsipe is oerflakcoating it proses fan it pleatsen fan in oare laach op it oerflak fan in komponint om oerflakrelatearre kwaliteiten te ferbetterjen. It doel fan oerflakcoating is om de mikrostruktuer en/of gearstalling fan it gebiet tichtby it oerflak fan 'e komponint oan te passen39. Oerflakcoatingtechniken kinne wurde ferdield yn ferskate metoaden, dy't gearfette binne yn Fig. 2a. Coatings kinne wurde ûnderferdield yn termyske, gemyske, fysike en elektrogemyske kategoryen, ôfhinklik fan 'e metoade dy't brûkt wurdt om de coating te meitsjen.
(a) Ynset dy't de wichtichste fabrikaazjetechniken sjen lit dy't brûkt wurde foar it oerflak, en (b) selektearre foardielen en neidielen fan 'e kâlde spuittechnyk.
Kâlde spuittechnology dielt in protte oerienkomsten mei konvinsjonele termyske spuitmetoaden. D'r binne lykwols ek wat wichtige fûnemintele eigenskippen dy't it kâlde spuitproses en kâlde spuitmaterialen bysûnder unyk meitsje. Kâlde spuittechnology stiet noch yn 'e bernetiid, mar hat in ljochte takomst. Yn bepaalde tapassingen biede de unike eigenskippen fan kâlde spuit grutte foardielen, wêrby't de ynherinte beheiningen fan typyske termyske spuitmetoaden oerwinne wurde. It biedt in manier om de wichtige beheiningen fan tradisjonele termyske spuittechnology te oerwinnen, wêrby't it poeier smelte moat wurde om op it substraat ôf te setten. Fansels is dit tradisjonele coatingproses net geskikt foar heul temperatuergefoelige materialen lykas nanokristallen, nanopartikels, amorfe en metalen glêzen40, 41, 42. Fierder litte termyske spuitcoatingmaterialen altyd hege nivo's fan porositeit en oksiden sjen. Kâlde spuittechnology hat in protte wichtige foardielen boppe termyske spuittechnology, lykas (i) minimale waarmte-ynfier nei it substraat, (ii) fleksibiliteit yn substraatcoatingkeuzes, (iii) ôfwêzigens fan fazetransformaasje en nôtgroei, (iv) hege bânsterkte1,39 (Fig. 2b). Derneist hawwe kâlde spuitcoatingmaterialen hege korrosje. wjerstân, hege sterkte en hurdens, hege elektryske geliedingsfermogen en hege tichtheid41. Yn tsjinstelling ta de foardielen fan it kâldspuitproses binne d'r noch wat neidielen oan it brûken fan dizze technyk, lykas te sjen is yn figuer 2b. By it beklaaien fan suvere keramyske poeders lykas Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, ensfh., kin de kâldspuitmetoade net brûkt wurde. Oan 'e oare kant kinne keramyske/metaal-kompositpoeders brûkt wurde as grûnstoffen foar coatings. Itselde jildt foar oare termyske spuitmetoaden. Yngewikkelde oerflakken en ynterne piipoerflakken binne noch altyd lestich te spuiten.
Mei it each op it brûken fan metallyske glêzen poeders as grûnstoffen foar coating, is it dúdlik dat konvinsjoneel termysk spuiten net foar dit doel brûkt wurde kin. Dit komt om't metallyske glêzen poeders by hege temperatueren kristallisearje.
De measte ark dy't brûkt wurde yn 'e medyske en fiedingssektor binne makke fan austenityske roestfrij stielen legeringen (SUS316 en SUS304) mei in chromiumgehalte tusken 12 en 20 gewichtsprosent foar de produksje fan sjirurgyske ynstruminten. It wurdt algemien akseptearre dat it gebrûk fan chromiummetaal as in legeringselemint yn stielen legeringen de korrosjebestriding fan standert stielen legeringen sterk kin ferbetterje. Roestfrij stielen legeringen, nettsjinsteande har hege korrosjebestriding, litte gjin wichtige antimikrobiële eigenskippen sjen38,39. Dit stiet yn kontrast mei har hege korrosjebestriding. Hjirnei kin de ûntwikkeling fan ynfeksje en ûntstekking foarsein wurde, dy't benammen feroarsake wurdt troch baktearjele adhesion en kolonisaasje op it oerflak fan roestfrij stielen biomaterialen. Wichtige swierrichheden kinne ûntstean troch wichtige swierrichheden ferbûn mei baktearjele adhesion en biofilmfoarmingspaden, wat kin liede ta sûnensferswakking, wat in protte gefolgen kin hawwe dy't direkt of yndirekt ynfloed kinne hawwe op 'e minsklike sûnens.
Dizze stúdzje is de earste faze fan in projekt finansierd troch de Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), kontraktnûmer 2010-550401, om de mooglikheid te ûndersykjen fan it produsearjen fan metallyske glêzen Cu-Zr-Ni ternaire poeders mei MA-technology (Tabel 1) foar de produksje fan antibakteriële film/SUS304 oerflakbeskermingscoating. De twadde faze fan it projekt, dy't yn jannewaris 2023 begjint, sil de elektrogemyske korrosjekarakteristiken en meganyske eigenskippen fan it systeem yn detail ûndersykje. Detaillearre mikrobiologyske testen sille wurde útfierd foar ferskate baktearjesoarten.
Yn dit artikel wurdt it effekt fan it Zr-legearingselemintgehalte op it glêsfoarmingsfermogen (GFA) besprutsen op basis fan morfologyske en strukturele skaaimerken. Derneist waarden de antibakteriële eigenskippen fan 'e bedekte metallyske glêspoeiercoating/SUS304-komposit ek besprutsen. Fierder is op it stuit wurk útfierd om de mooglikheid te ûndersykjen fan strukturele transformaasje fan metallyske glêspoeier dy't foarkomt tidens kâld spuiten binnen it ûnderkuolle floeibere gebiet fan fabrisearre metallyske glêssystemen. As represintative foarbylden binne Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr20Ni30 metallyske glêslegeringen brûkt yn dizze stúdzje.
Yn dizze seksje wurde de morfologyske feroarings fan elemintêre Cu-, Zr- en Ni-poeders yn leechenerzjykûgelmûnen presintearre. As yllustrative foarbylden sille twa ferskillende systemen besteande út Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr40Ni10 brûkt wurde as represintative foarbylden. It MA-proses kin wurde ferdield yn trije ûnderskate stadia, lykas te sjen is oan de metallografyske karakterisaasje fan it poeier produsearre tidens de slypfaze (Ofbylding 3).
Metallografyske skaaimerken fan meganyske legearing (MA) poeders krigen nei ferskate stadia fan kûgelfreestiid. Fjildútstjitsscannende elektronenmikroskopie (FE-SEM) ôfbyldings fan MA en Cu50Zr40Ni10 poeders krigen nei lege-enerzjy kûgelfreestiden fan 3, 12 en 50 oeren wurde werjûn yn (a), (c) en (e) foar it Cu50Zr20Ni30 systeem, wylst yn deselde MA oerienkommende ôfbyldings fan it Cu50Zr40Ni10 systeem nommen nei tiid wurde werjûn yn (b), (d) en (f).
Tidens it kûgelmûne wurdt de effektive kinetische enerzjy dy't oerdroegen wurde kin oan it metaalpoeier beynfloede troch de kombinaasje fan parameters, lykas te sjen is yn Fig. 1a. Dit omfettet botsingen tusken ballen en poeiers, kompresjeskuorjen fan poeier dat fêst sit tusken of tusken slypmedia, ynfloed fan fallende ballen, skuorjen en slijtage troch poeiersleep tusken bewegende kûgelmûnemedia, en skokgolven dy't troch fallende ballen geane ferspriede troch gewaaksloads (Fig. 1a). Elemintêre Cu-, Zr- en Ni-poeiers waarden slim misfoarme troch kâld lassen yn it iere stadium fan MA (3 oeren), wat resultearre yn grutte poeierdieltsjes (> 1 mm yn diameter). Dizze grutte gearstalde dieltsjes wurde karakterisearre troch de foarming fan dikke lagen fan legeringseleminten (Cu, Zr, Ni), lykas te sjen is yn Fig. 3a,b. It ferheegjen fan 'e MA-tiid nei 12 oeren (tuskenstadium) resultearre yn in tanimming fan' e kinetische enerzjy fan 'e kûgelmûne, wat resultearre yn' e ûntbining fan it gearstalde poeier yn finer poeiers (minder dan 200 µm), lykas te sjen is yn Fig. 3c,d. Yn dit stadium liedt de tapaste skuorkrêft ta de foarming fan in nij metaaloerflak mei fyn Cu-, Zr-, Ni-hintlagen, lykas te sjen is yn Fig. 3c,d. As gefolch fan laachferfining fine fêste-fazereaksjes plak op it ynterface fan 'e flakes om nije fazen te generearjen.
Op it hichtepunt fan it MA-proses (nei 50 oeren) wie de flake metallografy mar swak sichtber (Fig. 3e,f), mar it gepoleerde oerflak fan it poeier liet spegelmetallografy sjen. Dit betsjut dat it MA-proses foltôge is en de skepping fan in inkele reaksjefaze plakfûn hat. De elemintêre gearstalling fan 'e regio's yndeksearre yn Fig. 3e (I, II, III), f, v, vi) waard bepaald mei help fan fjildemisje-skannende elektronenmikroskopie (FE-SEM) kombineare mei enerzjydispersive röntgenspektroskopie (EDS) (IV).
Yn Tabel 2 wurde de elemintêre konsintraasjes fan legearingseleminten werjûn as in persintaazje fan it totale gewicht fan elke regio selektearre yn Fig. 3e,f. By it fergelykjen fan dizze resultaten mei de nominale útgongskomposysjes fan Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr40Ni10 neamd yn Tabel 1, kin sjoen wurde dat de komposysjes fan dizze twa einprodukten tige ferlykbere wearden hawwe as de nominale komposysjes. Fierder betsjutte de relative komponintwearden foar de regio's neamd yn Fig. 3e,f gjin wichtige ferswakking of fluktuaasje yn 'e gearstalling fan elk stekproef fan de iene regio nei de oare. Dit wurdt bewiisd troch it feit dat der gjin feroaring yn gearstalling is fan de iene regio nei de oare. Dit wiist op 'e produksje fan homogene legearingpoeders, lykas werjûn yn Tabel 2.
FE-SEM-mikrofoto's fan it einprodukt Cu50(Zr50−xNix) poeier waarden krigen nei 50 MA-tiden, lykas te sjen is yn Fig. 4a–d, wêrby't x respektivelik 10, 20, 30 en 40 at.% is. Nei dizze mealstap aggregearet it poeier troch it van der Waals-effekt, wat resulteart yn 'e foarming fan grutte aggregaten besteande út ultrafijne dieltsjes mei diameters fariearjend fan 73 oant 126 nm, lykas te sjen is yn Figuer 4.
Morfologyske skaaimerken fan Cu50(Zr50−xNix) poeders krigen nei in MA-tiid fan 50 oeren. Foar de Cu50Zr40Ni10-, Cu50Zr30Ni20-, Cu50Zr20Ni30-, Cu50Zr10Ni40-systemen wurde de FE-SEM-ôfbyldings fan 'e poeders krigen nei 50 MA-tiden werjûn yn (a), (b), (c) en (d), respektivelik.
Foardat de poeders yn in kâlde spuitfeeder laden waarden, waarden se earst 15 minuten sonikearre yn ethanol fan analytyske kwaliteit en doe 2 oeren droege by 150 °C. Dizze stap moat nommen wurde om agglomeraasje mei súkses te bestriden, dy't faak in protte wichtige problemen feroarsaket tidens it coatingproses. Nei't it MA-proses foltôge wie, waarden fierdere karakterisaasjes útfierd om de homogeniteit fan 'e legearingpoeders te ûndersykjen. Figuer 5a-d litte de FE-SEM-mikrografen en de oerienkommende EDS-ôfbyldings sjen fan 'e Cu-, Zr- en Ni-legearingseleminten fan' e Cu50Zr30Ni20-legearing krigen nei 50 oeren M-tiid, respektivelik. It moat opmurken wurde dat de legearingpoeders produsearre nei dizze stap homogeen binne, om't se gjin gearstallingsfluktuaasjes sjen litte bûten it sub-nanometernivo, lykas werjûn yn figuer 5.
Morfology en lokale elemintêre ferdieling fan MG Cu50Zr30Ni20-poeier krigen nei 50 MA-tiden troch FE-SEM/enerzjydispersive röntgenspektroskopie (EDS). (a) SEM- en röntgen-EDS-mapping fan (b) Cu-Kα-, (c) Zr-Lα- en (d) Ni-Kα-ôfbyldings.
De XRD-patroanen fan meganysk legearre Cu50Zr40Ni10-, Cu50Zr30Ni20-, Cu50Zr20Ni30- en Cu50Zr20Ni30-poeders dy't krigen binne nei in MA-tiid fan 50 oeren wurde werjûn yn Fig. 6a-d, respektivelik. Nei dizze faze fan it frezen lieten alle samples mei ferskillende Zr-konsintraasjes amorfe struktueren sjen mei karakteristike halodiffúzjepatroanen werjûn yn Fig. 6.
XRD-patroanen fan (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 en (d) Cu50Zr20Ni30 poeiers nei in MA-tiid fan 50 oeren. Alle samples sûnder útsûndering lieten in halodiffúzjepatroan sjen, wat de foarming fan in amorfe faze ymplisearret.
Fjildútstjit hege-resolúsje transmissie-elektronenmikroskopie (FE-HRTEM) waard brûkt om strukturele feroarings te observearjen en de lokale struktuer fan 'e poeders te begripen dy't resultearren út kûgelmûnen op ferskate MA-tiden. FE-HRTEM-ôfbyldings fan 'e poeders dy't krigen binne nei de iere (6 oeren) en tuskenlizzende (18 oeren) stadia fan it mûnen foar Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr40Ni10 poeders wurde werjûn yn Fig. 7a, c, respektivelik. Neffens de heldere fjildôfbylding (BFI) fan it poeier produsearre nei MA 6 oeren, is it poeier gearstald út grutte kerrels mei goed definieare grinzen fan 'e eleminten fcc-Cu, hcp-Zr en fcc-Ni, en is der gjin teken dat de reaksjefaze foarme is, lykas werjûn yn Fig. 7a. Fierder liet it korrelearre selektearre gebietdiffraksjepatroan (SADP) nommen út it middelste gebiet fan (a) in cusp-diffraksjepatroan sjen (Fig. 7b), wat de oanwêzigens fan grutte kristalliten en de ôfwêzigens fan in reaktive faze oanjout.
Lokale strukturele karakterisaasje fan MA-poeier krigen nei iere (6 oeren) en tuskenlizzende (18 oeren) stadia. (a) Fjildútstjit hege resolúsje transmissie-elektronenmikroskopie (FE-HRTEM), en (b) it oerienkommende selektearre gebietdiffraksjepatroan (SADP) fan Cu50Zr30Ni20-poeier nei MA-behanneling foar 6 oeren. De FE-HRTEM-ôfbylding fan Cu50Zr40Ni10 krigen nei in MA-tiid fan 18 oeren wurdt werjûn yn (c).
Lykas te sjen is yn Fig. 7c, resultearre it útwreidzjen fan 'e MA-doer nei 18 oeren yn swiere roasterdefekten yn kombinaasje mei plestike deformaasje. Tidens dizze tuskenfaze fan it MA-proses toant it poeier ferskate defekten, ynklusyf stapelfouten, roasterdefekten en puntdefekten (Figuer 7). Dizze defekten feroarsaakje dat de grutte kerrels lâns har kerrelgrinzen spjalte yn subkerrels mei gruttes fan minder as 20 nm (Fig. 7c).
De lokale struktuer fan Cu50Z30Ni20-poeier dat 36 oeren lang yn in MA-tiid meald is, hat de foarming fan ultrafijne nanograins ynbêde yn in amorfe fyn matrix, lykas te sjen is yn Fig. 8a. Lokale EDS-analyze joech oan dat dy nanoklusters dy't te sjen binne yn Fig. 8a assosjeare wiene mei ûnferwurke Cu-, Zr- en Ni-poeierlegearingseleminten. Tagelyk fluktuearre it Cu-gehalte fan 'e matrix fan ~32 at.% (meager gebiet) oant ~74 at.% (ryk gebiet), wat de foarming fan heterogene produkten oanjout. Fierder litte de oerienkommende SADP's fan 'e poeders dy't krigen binne nei it meallen yn dit stadium halo-diffusearjende primêre en sekundêre ringen fan in amorfe faze sjen, dy't oerlappe mei skerpe punten dy't ferbûn binne mei dy rauwe legeringseleminten, lykas te sjen is yn Fig. 8b.
Lokale strukturele skaaimerken op nanoskaal boppe 36 oeren fan Cu50Zr30Ni20-poeier. (a) Helderfjildôfbylding (BFI) en oerienkommende (b) SADP fan Cu50Zr30Ni20-poeier krigen nei it malen foar 36 oeren MA-tiid.
Tsjin 'e ein fan it MA-proses (50 oeren) hawwe Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 en 40 at.% poeders steefêst in labyrintyske amorfe fazemorfology lykas te sjen is yn Fig. 9a-d. Yn 'e oerienkommende SADP fan elke gearstalling koene noch puntfoarmige diffraksjes noch skerpe ringfoarmige patroanen wurde detektearre. Dit jout oan dat gjin ûnferwurke kristallijn metaal oanwêzich is, mar leaver in amorf legearingspoeier wurdt foarme. Dizze korrelearre SADP's dy't halodiffúzjepatroanen sjen litte, waarden ek brûkt as bewiis foar de ûntwikkeling fan amorfe fazen yn it definitive produktmateriaal.
Lokale struktuer fan it einprodukt fan it MG Cu50 (Zr50−xNix) systeem. FE-HRTEM en korrelearre nanobeam diffraksjepatroanen (NBDP) fan (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 en (d) Cu50Zr10Ni40 krigen nei 50 oeren MA.
De termyske stabiliteit fan 'e glêsoergongstemperatuer (Tg), ûnderkuolle floeistofregio (ΔTx) en kristallisaasjetemperatuer (Tx) as funksje fan Ni-ynhâld (x) fan it amorfe Cu50(Zr50−xNix) systeem is ûndersocht mei help fan differinsjaalskannende kalorimetry (DSC) fan eigenskippen ûnder He-gasstream. De DSC-spoaren fan 'e amorfe legearingpoeders Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr10Ni40 dy't krigen binne nei in MA-tiid fan 50 oeren wurde werjûn yn Fig. 10a, b, e, respektivelik. Wylst de DSC-kromme fan amorfe Cu50Zr20Ni30 apart werjûn wurdt yn Fig. 10c. Underwilens wurdt it Cu50Zr30Ni20-monster dat ferwaarme is ta ~700 °C yn DSC werjûn yn Fig. 10d.
Termyske stabiliteit fan Cu50(Zr50−xNix) MG-poeders krigen nei in MA-tiid fan 50 oeren, lykas yndeksearre troch glêsoergongstemperatuer (Tg), kristallisaasjetemperatuer (Tx), en ûnderkuolle floeibere regio (ΔTx). Differinsjaal scanning kalorimeter (DSC) termogrammen fan (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 en (e) Cu50Zr10Ni40 MG-legearingpoeders nei MA-tiid fan 50 oeren. It röntgendiffraksje (XRD) patroan fan it Cu50Zr30Ni20-monster ferwaarme oant ~700 °C yn DSC wurdt werjûn yn (d).
Lykas te sjen is yn figuer 10, jouwe de DSC-krommen fan alle gearstallingen mei ferskillende Ni-konsintraasjes (x) twa ferskillende gefallen oan, ien endoterm en de oare eksoterm. De earste endotermyske barren komt oerien mei Tg, wylst de twadde relatearre is oan Tx. It horizontale spangebiet dat bestiet tusken Tg en Tx wurdt it ûnderkuolle floeibere gebiet neamd (ΔTx = Tx – Tg). De resultaten litte sjen dat de Tg en Tx fan it Cu50Zr40Ni10-monster (Fig. 10a), pleatst op 526 °C en 612 °C, it gehalte (x) ferskowe nei 20 at.% nei de lege temperatuerkant fan 482 °C en 563 °C mei tanimmend Ni-gehalte (x), respektivelik, lykas te sjen is yn figuer 10b. Dêrtroch nimt de ΔTx fan Cu50Zr40Ni10 ôf fan 86 °C (Fig. 10a) nei 81 °C foar Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b). Foar de MG Cu50Zr40Ni10-legering waard ek waarnommen dat de wearden fan Tg, Tx en ΔTx ôfnamen nei it nivo fan 447 °C, 526 °C en 79 °C (Fig. 10b). Dit jout oan dat de tanimming fan it Ni-ynhâld liedt ta in ôfname fan 'e termyske stabiliteit fan' e MG-legering. Yn tsjinstelling is de Tg-wearde (507 °C) fan 'e MG Cu50Zr20Ni30-legering leger as dy fan' e MG Cu50Zr40Ni10-legering; nettsjinsteande lit syn Tx in fergelykbere wearde sjen as de eardere (612 °C). Dêrom lit ΔTx in hegere wearde sjen (87 °C), lykas te sjen is yn Fig. 10c.
It MG Cu50(Zr50−xNix)-systeem, wêrby't de MG Cu50Zr20Ni30-legering as foarbyld nommen wurdt, kristallisearret troch in skerpe eksotermyske pyk yn 'e kristalfazen fan fcc-ZrCu5, orthorhombysk-Zr7Cu10 en orthorhombysk-ZrNi (Fig. 10c). Dizze amorfe nei kristallijne faze-oergong waard befêstige troch XRD fan it MG-monster (Fig. 10d), dat ferwaarme waard ta 700 °C yn DSC.
Figuer 11 lit foto's sjen dy't makke binne tidens it kâlde spuitproses dat útfierd is yn it hjoeddeiske wurk. Yn dizze stúdzje waarden de glêseftige metaalpoeierdieltsjes synthetisearre nei in MA-tiid fan 50 oeren (mei Cu50Zr20Ni30 as foarbyld) brûkt as antibakteriële grûnstoffen, en de roestfrij stielen plaat (SUS304) waard bedekt mei kâlde spuittechnology. De kâlde spuitmetoade waard keazen foar it bedekken yn 'e searje termyske spuittechnology, om't it de effisjintste metoade is yn 'e searje termyske spuit en kin brûkt wurde foar metaalmetastabile temperatuergefoelige materialen lykas amorfe en nanokristallijne poeders, dy't net ûnderwurpen binne oan faze-oergongen. Dit is de wichtichste faktor by it kiezen fan dizze metoade. It kâlde spuitproses wurdt útfierd troch gebrûk te meitsjen fan hege-snelheidsdieltsjes dy't de kinetyske enerzjy fan 'e dieltsjes omsette yn plestike deformaasje, spanning en waarmte by ynfloed mei it substraat of earder ôfsette dieltsjes.
Fjildfoto's litte de kâlde spuitproseduere sjen dy't brûkt wurdt foar fiif opienfolgjende tariedings fan MG-coating/SUS 304 by 550 °C.
De kinetische enerzjy fan 'e dieltsjes, en dus it momentum fan elk dieltsje yn 'e coatingfoarming, moat omset wurde yn oare foarmen fan enerzjy fia meganismen lykas plestike deformaasje (begjinnende dieltsje- en dieltsje-dieltsje-ynteraksjes yn it substraat en dieltsje-ynteraksjes), holtes Konsolidaasje, dieltsje-dieltsje-rotaasje, spanning en úteinlik waarmte 39. Fierder, as net alle ynkommende kinetische enerzjy omset wurdt yn waarmte- en spanningsenerzjy, is it resultaat in elastyske botsing, wat betsjut dat de dieltsjes gewoan weromkomme nei de ynfloed. Der is op wiisd dat 90% fan 'e ynfloedsenerzjy dy't tapast wurdt op it dieltsje/substraatmateriaal omset wurdt yn lokale waarmte 40. Fierder, as ynfloedspanning tapast wurdt, wurde hege plestike spanningsraten berikt yn it kontaktdieltsje/substraatgebiet yn in heul koarte tiid 41,42.
Plastyske deformaasje wurdt oer it algemien beskôge as in proses fan enerzjyferspilling, of mear spesifyk, in waarmteboarne yn it ynterfaciale gebiet. De temperatuerferheging yn it ynterfaciale gebiet is lykwols meastentiids net genôch om ynterfaciale smelten te produsearjen of om atomêre ynterdiffúzje signifikant te befoarderjen. Gjin publikaasje dy't de auteurs kenne ûndersiket it effekt fan 'e eigenskippen fan dizze metallyske glêsachtige poeders op poederadhesion en ôfsetting dy't optreedt as kâlde spuitmetoaden wurde brûkt.
De BFI fan MG Cu50Zr20Ni30-legearingpoeier is te sjen yn Fig. 12a, dat bedekt wie op in SUS 304-substraat (Figs. 11, 12b). Lykas te sjen is yn 'e figuer, behâlde de bedekte poeiers har oarspronklike amorfe struktuer, om't se in delikate labyrintstruktuer hawwe sûnder kristallijne skaaimerken of roosterdefekten. Oan 'e oare kant jout de ôfbylding de oanwêzigens oan fan in frjemde faze, lykas suggerearre troch nanopartikels dy't opnommen binne yn 'e MG-bedekte poeiermatrix (Fig. 12a). Figuer 12c toant it yndeksearre nanobeam-diffraksjepatroan (NBDP) dat assosjeare is mei regio I (Figuer 12a). Lykas te sjen is yn Fig. 12c, toant NBDP in swak halo-diffraksjepatroan fan amorfe struktuer en bestiet tegearre mei skerpe plakken dy't oerienkomme mei de kristallijne grutte kubike Zr2Ni metastabiele plus tetragonale CuO-faze. De foarming fan CuO kin taskreaun wurde oan 'e oksidaasje fan it poeier by it reizgjen fan 'e nozzle fan it spuitpistoal nei SUS 304 yn de iepen loft ûnder supersonyske stream. Oan 'e oare kant berikte de devitrifikaasje fan 'e metallyske glêzige poeiers de foarming fan grutte kubike fazen nei kâlde spuitbehanneling by 550 °C foar 30 minuten.
(a) FE-HRTEM-ôfbylding fan MG-poeiercoating op (b) SUS 304-substraat (ynfoegsel fan figuer). De yndeks NBDP fan it sirkelfoarmige symboal werjûn yn (a) wurdt werjûn yn (c).
Om dit potinsjele meganisme foar de foarming fan grutte kubike Zr2Ni-nanopartikels te ferifiearjen, waard in ûnôfhinklik eksperimint útfierd. Yn dit eksperimint waarden de poeders út in spuitpistoal by 550 °C yn 'e rjochting fan it SUS 304-substraat spuite; om it gloeieffekt fan 'e poeders lykwols te ferdúdlikjen, waarden se sa gau mooglik (sawat 60 sekonden) fan 'e SUS304-strip fuorthelle. In oare set eksperiminten waard útfierd wêrby't poeier sawat 180 sekonden nei it ôfsetten fan it substraat fuorthelle waard.
Figueren 13a, b litte tsjustere fjildôfbyldings (DFI) sjen dy't krigen binne troch scanning transmission electron microscopy (STEM) fan twa spuite materialen dy't ôfset binne op SUS 304-substraten foar respektivelik 60 s en 180 s. De poeierôfbylding dy't 60 sekonden ôfset is, hat gjin morfologyske details, en lit gjin eigenskipsfoarmen sjen (Fig. 13a). Dit waard ek befêstige troch XRD, wat oanjûn dat de algemiene struktuer fan dizze poeders amorf wie, lykas oanjûn troch de brede primêre en sekundêre diffraksjemaksima werjûn yn Fig. 14a. Dizze jouwe de ôfwêzigens fan metastabiele/mesofase-presiпитаasje oan, wêrby't it poeier syn oarspronklike amorfe struktuer behâldt. Yn tsjinstelling, it poeier dat by deselde temperatuer (550 °C) spuite waard, mar 180 s op it substraat litten waard, liet de presiпитаasje sjen fan nano-grutte kerrels, lykas oanjûn troch de pylken yn Fig. 13b.