Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Limitado ang suporta para sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipapakita namin ang site nang walang mga estilo at JavaScript.
Ang mga biofilm ay isang mahalagang sangkap sa pag-unlad ng mga malalang impeksyon, lalo na kapag ang mga medikal na aparato ay kasangkot. Ang problemang ito ay nagpapakita ng isang malaking hamon sa komunidad ng medisina, dahil ang mga karaniwang antibiotic ay maaari lamang pumuksa ng mga biofilm sa napakaliit na lawak. Ang pagpigil sa pagbuo ng biofilm ay humantong sa pag-unlad ng iba't ibang mga pamamaraan ng patong at mga bagong materyales. Ang mga pamamaraang ito ay naglalayong pahiran ang mga ibabaw sa isang paraan na pumipigil sa pagbuo ng biofilm. Ang mga metallic glassy alloy, lalo na ang mga naglalaman ng tanso at titanium metal, ay lumitaw bilang mga mainam na antimicrobial coating. Kasabay nito, ang paggamit ng cold spray technology ay tumaas dahil ito ay isang angkop na pamamaraan para sa pagproseso ng mga materyales na sensitibo sa temperatura. Bahagi ng layunin ng pag-aaral na ito ay upang bumuo ng isang nobelang antibacterial film metallic glass na binubuo ng ternary Cu-Zr-Ni gamit ang mga mechanical alloying techniques. Ang spherical powder na bumubuo sa pangwakas na produkto ay ginagamit bilang isang hilaw na materyal para sa cold spray coating ng mga ibabaw na hindi kinakalawang na asero sa mababang temperatura. Ang mga substrate na pinahiran ng metallic glass ay nagawang makabuluhang bawasan ang pagbuo ng biofilm ng hindi bababa sa 1 log kumpara sa hindi kinakalawang na asero.
Sa buong kasaysayan ng tao, nagawang idisenyo at isulong ng anumang lipunan ang pagpapakilala ng mga nobelang materyales na nakakatugon sa mga partikular na pangangailangan nito, na nagresulta sa pinahusay na pagganap at ranggo sa isang globalisadong ekonomiya1. Ito ay palaging iniuugnay sa kakayahan ng tao na bumuo ng mga materyales at kagamitan sa paggawa at mga disenyo para sa paggawa at paglalarawan ng mga materyales upang makamit ang mga tagumpay sa kalusugan, edukasyon, industriya, ekonomiya, kultura at iba pang larangan mula sa isang bansa o rehiyon patungo sa isa pa. Sinusukat ang pag-unlad anuman ang bansa o rehiyon.2 Sa loob ng 60 taon, inilaan ng mga siyentipiko ng materyales ang halos lahat ng kanilang oras sa pagtuon sa isang pangunahing alalahanin: ang paghahanap ng mga nobela at makabagong materyales. Ang mga kamakailang pananaliksik ay nakatuon sa pagpapabuti ng kalidad at pagganap ng mga umiiral na materyales, pati na rin ang sintesis at pag-imbento ng mga ganap na bagong uri ng materyales.
Ang pagdaragdag ng mga elemento ng haluang metal, ang pagbabago ng microstructure ng materyal, at ang aplikasyon ng mga pamamaraan sa pagproseso ng thermal, mechanical o thermo-mechanical ay nagresulta sa mga makabuluhang pagpapabuti sa mga mekanikal, kemikal at pisikal na katangian ng iba't ibang materyales. Bukod pa rito, ang mga compound na hindi pa naririnig noon ay matagumpay na na-synthesize sa puntong ito. Ang mga patuloy na pagsisikap na ito ay nagbunga ng isang bagong pamilya ng mga makabagong materyales, na sama-samang kilala bilang Advanced Materials2. Ang mga nanocrystal, nanoparticle, nanotubes, quantum dots, zero-dimensional, amorphous metallic glasses, at high-entropy alloys ay ilan lamang sa mga halimbawa ng mga advanced na materyales na ipinakilala sa mundo simula noong kalagitnaan ng huling siglo. Kapag gumagawa at bumubuo ng mga bagong haluang metal na may superior na mga katangian, alinman sa huling produkto o sa mga intermediate na yugto ng produksyon nito, ang problema ng off-balance ay madalas na nadaragdagan. Bilang resulta ng pagpapatupad ng mga bagong pamamaraan ng paggawa upang makabuluhang lumihis mula sa equilibrium, isang buong bagong uri ng metastable alloys, na kilala bilang metallic glasses, ang natuklasan.
Ang kanyang trabaho sa Caltech noong 1960 ay nagdala ng isang rebolusyon sa konsepto ng mga metal alloy nang i-synthesize niya ang mala-salaming Au-25 at.% Si alloys sa pamamagitan ng mabilis na pagtigas ng mga likido sa halos isang milyong digri bawat segundo. 4. Ang pangyayaring natuklasan ni Propesor Pol Duwezs ay hindi lamang nagbabadya ng simula ng kasaysayan ng mga metallic glasses (MG), kundi humantong din sa isang paradigm shift sa paraan ng pag-iisip ng mga tao tungkol sa mga metal alloy. Simula noong mga unang pag-aaral sa synthesis ng mga MG alloy, halos lahat ng metallic glasses ay ganap na nagawa gamit ang isa sa mga sumusunod na pamamaraan; (i) mabilis na pagtigas ng natunaw o singaw, (ii) atomic disordering ng lattice, (iii) mga reaksyon ng solid-state amorphization sa pagitan ng mga purong elemento ng metal, at (iv) mga solid-state transition ng mga metastable phase.
Ang mga MG ay nakikilala sa kanilang kawalan ng long-range atomic order na nauugnay sa mga kristal, na isang natatanging katangian ng mga kristal. Sa mundo ngayon, malaking pag-unlad ang nagawa sa larangan ng metallic glass. Ang mga ito ay mga nobelang materyales na may mga kawili-wiling katangian na interesante hindi lamang sa solid-state physics, kundi pati na rin sa metalurhiya, surface chemistry, teknolohiya, biology at marami pang ibang larangan. Ang bagong uri ng materyal na ito ay nagpapakita ng mga natatanging katangian mula sa mga solidong metal, na ginagawa itong isang kawili-wiling kandidato para sa mga teknolohikal na aplikasyon sa iba't ibang larangan. Mayroon silang ilang mahahalagang katangian; (i) mataas na mechanical ductility at yield strength, (ii) mataas na magnetic permeability, (iii) mababang coercivity, (iv) hindi pangkaraniwang corrosion resistance, (v) temperature independence Ang conductivity ng 6,7.
Ang mekanikal na paghalo-halo (MA)1,8 ay isang medyo bagong pamamaraan, na unang ipinakilala noong 1983 ni Prof. CC Kock at mga kasamahan. Naghanda sila ng mga amorphous na pulbos na Ni60Nb40 sa pamamagitan ng paggiling ng pinaghalong mga purong elemento sa mga temperaturang nakapaligid na napakalapit sa temperatura ng silid. Kadalasan, ang reaksyon ng MA ay isinasagawa sa pagitan ng diffusive coupling ng mga pulbos ng reactant material sa isang reactor, na karaniwang gawa sa stainless steel papunta sa isang ball mill 10 (Fig. 1a, b). Simula noon, ang mekanikal na induced solid-state reaction technique na ito ay ginamit upang maghanda ng mga nobelang amorphous/metallic glass alloy powder gamit ang low (Fig. 1c) at high energy ball mill, pati na rin ang mga rod mill 11,12,13,14,15, 16. Sa partikular, ang pamamaraang ito ay ginamit upang maghanda ng mga immiscible system tulad ng Cu-Ta17, pati na rin ang mga high melting point alloy tulad ng Al-transition metal systems (TM; Zr, Hf, Nb at Ta)18,19 at Fe-W20, na hindi makukuha gamit ang mga conventional preparation routes. Bukod pa rito, ang MA ay itinuturing na isa sa pinakamalakas na nanotechnology tool para sa paghahanda ng industrial-scale nanocrystalline at nanocomposite powder particles ng metal oxides, carbides, nitrides, hydrides, carbon nanotubes, mga nanodiamond, pati na rin ang malawak na pagpapanatag sa pamamagitan ng top-down na pamamaraan 1 at mga metastable na yugto.
Eskematikong nagpapakita ng paraan ng paggawa na ginamit upang ihanda ang Cu50(Zr50−xNix) metallic glass (MG) coating/SUS 304 sa pag-aaral na ito.(a) Paghahanda ng mga pulbos ng MG alloy na may iba't ibang konsentrasyon ng Ni x (x; 10, 20, 30 at 40 at.%) gamit ang low energy ball milling technique.(a) Ang panimulang materyal ay ikinakarga sa isang tool cylinder kasama ang mga tool steel balls, at (b) ay tinatakan sa isang glove box na puno ng He atmosphere.(c) Isang transparent na modelo ng grinding vessel na naglalarawan ng galaw ng bola habang naggiling. Ang pangwakas na produkto ng pulbos na nakuha pagkatapos ng 50 oras ay ginamit upang pahiran ang SUS 304 substrate gamit ang cold spray method (d).
Pagdating sa mga bulk material surface (substrates), ang surface engineering ay kinabibilangan ng disenyo at pagbabago ng mga surface (substrates) upang magbigay ng ilang pisikal, kemikal, at teknikal na katangian na wala sa orihinal na bulk material. Ang ilang katangian na maaaring epektibong mapabuti sa pamamagitan ng mga surface treatment ay kinabibilangan ng abrasion resistance, oxidation at corrosion resistance, coefficient of friction, bio-inertness, electrical properties, at thermal insulation, ilan lamang sa mga ito. Ang kalidad ng surface ay maaaring mapabuti sa pamamagitan ng paggamit ng mga metalurhiko, mekanikal, o kemikal na pamamaraan. Bilang isang kilalang proseso, ang isang coating ay simpleng binibigyang kahulugan bilang isang solong o maraming layer ng materyal na artipisyal na idineposito sa ibabaw ng isang bulk object (substrate) na gawa sa ibang materyal. Kaya, ang mga coating ay ginagamit sa bahagi upang makamit ang ilang ninanais na teknikal o pandekorasyon na katangian, pati na rin upang protektahan ang mga materyales mula sa inaasahang kemikal at pisikal na interaksyon sa nakapalibot na kapaligiran23.
Upang makapaglagay ng angkop na mga patong ng proteksyon sa ibabaw na may kapal mula sa ilang micrometer (mas mababa sa 10-20 micrometer) hanggang mahigit 30 micrometer o kahit ilang milimetro, maraming pamamaraan at pamamaraan ang maaaring ilapat. Sa pangkalahatan, ang mga proseso ng patong ay maaaring hatiin sa dalawang kategorya: (i) mga pamamaraan ng wet coating, kabilang ang electroplating, electroless plating, at hot-dip galvanizing, at (ii) mga pamamaraan ng dry coating, kabilang ang brazing, surfacing, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), thermal spray techniques at kamakailan lamang ay ang cold spray techniques 24 (Fig. 1d).
Ang mga biofilm ay binibigyang kahulugan bilang mga komunidad ng mikrobyo na hindi na mababawi na nakakabit sa mga ibabaw at napapalibutan ng mga self-produced extracellular polymers (EPS). Ang mababaw na pagkahinog ng biofilm ay maaaring humantong sa malalaking pagkalugi sa maraming sektor ng industriya, kabilang ang industriya ng pagkain, mga sistema ng tubig, at mga kapaligirang pangkalusugan. Sa mga tao, kapag nabubuo ang mga biofilm, mahigit 80% ng mga kaso ng mga impeksyon sa mikrobyo (kabilang ang Enterobacteriaceae at Staphylococci) ay mahirap gamutin. Bukod pa rito, ang mga mature na biofilm ay naiulat na 1000 beses na mas lumalaban sa paggamot ng antibiotic kumpara sa mga planktonic bacterial cell, na itinuturing na isang pangunahing hamon sa therapeutic. Ang mga materyales na antimicrobial surface coating na nagmula sa mga conventional organic compound ay matagal nang ginagamit. Bagama't ang mga naturang materyales ay kadalasang naglalaman ng mga nakalalasong sangkap na maaaring mapanganib sa mga tao,25,26 maaari itong makatulong na maiwasan ang pagkalat ng bakterya at pagkasira ng materyal.
Ang malawakang resistensya ng bakterya sa mga paggamot na may antibiotic dahil sa pagbuo ng biofilm ay humantong sa pangangailangang bumuo ng isang epektibong antimicrobial membrane-coated surface na maaaring ligtas na mailapat27. Ang pagbuo ng isang pisikal o kemikal na anti-adherent surface kung saan ang mga bacterial cell ay pinipigilan na magbigkis at bumuo ng mga biofilm dahil sa adhesion ang unang paraan sa prosesong ito27. Ang pangalawang teknolohiya ay ang pagbuo ng mga coating na nagbibigay-daan sa mga antimicrobial chemical na maihatid nang eksakto kung saan kinakailangan ang mga ito, sa mataas na konsentrasyon at angkop na dami. Nakakamit ito sa pamamagitan ng pagbuo ng mga natatanging materyales sa coating tulad ng graphene/germanium28, black diamond29 at ZnO-doped diamond-like carbon coatings30 na lumalaban sa bacteria, isang teknolohiyang nagpapalaki sa Toxicity at pag-unlad ng resistensya dahil sa pagbuo ng biofilm ay makabuluhang nabawasan. Bukod pa rito, ang mga coating na nagsasama ng mga germicidal chemical sa mga ibabaw upang magbigay ng pangmatagalang proteksyon mula sa kontaminasyon ng bacteria ay nagiging mas popular. Bagama't ang lahat ng tatlong pamamaraan ay may kakayahang makagawa ng mga antimicrobial effect sa mga coated surface, ang bawat isa ay may kani-kanilang mga limitasyon na dapat isaalang-alang kapag bumubuo ng mga estratehiya sa aplikasyon.
Ang mga produktong kasalukuyang nasa merkado ay nahahadlangan ng hindi sapat na oras upang suriin at subukan ang mga proteksiyon na patong para sa mga biologically active na sangkap. Inaangkin ng mga kumpanya na ang kanilang mga produkto ay magbibigay sa mga gumagamit ng kanais-nais na mga aspeto ng paggana; Gayunpaman, ito ay naging balakid sa tagumpay ng mga produktong kasalukuyang nasa merkado. Ang mga compound na nagmula sa pilak ay ginagamit sa karamihan ng mga antimicrobial therapy na makukuha na ngayon ng mga mamimili. Ang mga produktong ito ay binuo upang protektahan ang mga gumagamit mula sa mga potensyal na mapanganib na epekto ng mga mikroorganismo. Ang naantalang antimicrobial effect at ang kaugnay na toxicity ng mga silver compound ay nagpapataas ng presyon sa mga mananaliksik na bumuo ng isang hindi gaanong mapanganib na alternatibo36,37. Ang paglikha ng isang pandaigdigang antimicrobial coating na gumagana sa loob at labas ng bahay ay napatunayan pa ring isang nakakatakot na gawain. Ito ay dahil sa mga kaugnay na panganib sa kalusugan at kaligtasan. Ang pagtuklas ng isang antimicrobial agent na hindi gaanong mapanganib sa mga tao at pag-alam kung paano ito isasama sa mga substrate na may mas mahabang shelf life ay isang lubos na hinahangad na layunin38. Ang pinakabagong mga materyales na antimicrobial at anti-biofilm ay idinisenyo upang patayin ang bakterya sa malapit na distansya, alinman sa pamamagitan ng direktang pakikipag-ugnayan o pagkatapos mailabas ang aktibong ahente. Magagawa nila ito sa pamamagitan ng pagpigil sa paunang pagdikit ng bakterya (kabilang ang pagkontra sa pagbuo ng isang layer ng protina sa ibabaw) o sa pamamagitan ng pagpatay sa bakterya sa pamamagitan ng panghihimasok sa cell wall.
Sa panimula, ang surface coating ay ang proseso ng paglalagay ng isa pang patong sa ibabaw ng isang bahagi upang mapahusay ang mga katangiang nauugnay sa ibabaw. Ang layunin ng surface coating ay iakma ang microstructure at/o komposisyon ng malapit-sa-ibabaw na rehiyon ng bahagi. Ang mga pamamaraan ng surface coating ay maaaring hatiin sa iba't ibang pamamaraan, na nakabuod sa Fig. 2a. Ang mga coating ay maaaring hatiin sa mga kategoryang thermal, kemikal, pisikal, at electrochemical, depende sa pamamaraang ginamit upang likhain ang coating.
(a) Nakasingit na nagpapakita ng mga pangunahing pamamaraan ng paggawa na ginamit para sa ibabaw, at (b) mga piling bentahe at disbentahe ng pamamaraan ng cold spray.
Ang teknolohiya ng cold spray ay maraming pagkakatulad sa mga kumbensyonal na pamamaraan ng thermal spray. Gayunpaman, mayroon ding ilang mahahalagang pangunahing katangian na nagpapatangi sa proseso ng cold spray at mga materyales ng cold spray. Ang teknolohiya ng cold spray ay nasa simula pa lamang, ngunit may magandang kinabukasan. Sa ilang aplikasyon, ang mga natatanging katangian ng cold spray ay nag-aalok ng malalaking benepisyo, na lumalampas sa mga likas na limitasyon ng mga karaniwang pamamaraan ng thermal spray. Nagbibigay ito ng paraan upang malampasan ang mga makabuluhang limitasyon ng tradisyonal na teknolohiya ng thermal spray, kung saan ang pulbos ay dapat tunawin upang mailagay sa substrate. Malinaw na ang tradisyonal na proseso ng patong na ito ay hindi angkop para sa mga materyales na sensitibo sa temperatura tulad ng mga nanocrystal, nanoparticle, amorphous at metallic glasses40, 41, 42. Bukod pa rito, ang mga materyales ng thermal spray coating ay palaging nagpapakita ng mataas na antas ng porosity at oxides. Ang teknolohiya ng cold spray ay may maraming makabuluhang bentahe kaysa sa teknolohiya ng thermal spray, tulad ng (i) kaunting init na pumapasok sa substrate, (ii) kakayahang umangkop sa mga pagpipilian sa patong ng substrate, (iii) kawalan ng phase transformation at paglaki ng butil, (iv) mataas na lakas ng bono1,39 (Fig. 2b). Bilang karagdagan, ang mga materyales ng cold spray coating ay may mataas na kalawang. resistensya, mataas na lakas at katigasan, mataas na kondaktibiti ng kuryente at mataas na densidad41. Taliwas sa mga bentahe ng proseso ng cold spray, mayroon pa ring ilang mga disbentaha sa paggamit ng pamamaraang ito, tulad ng ipinapakita sa Figure 2b. Kapag nagbabalot ng mga purong ceramic powder tulad ng Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, atbp., hindi maaaring gamitin ang cold spray method. Sa kabilang banda, ang mga ceramic/metal composite powder ay maaaring gamitin bilang mga hilaw na materyales para sa mga patong. Ganito rin para sa iba pang mga paraan ng thermal spray. Ang mga kumplikadong ibabaw at mga panloob na ibabaw ng tubo ay mahirap pa ring i-spray.
Dahil ang kasalukuyang pag-aaral ay naglalayong gumamit ng mga metalikong pulbos na mala-salamin bilang mga hilaw na materyales sa patong, malinaw na hindi maaaring gamitin ang kumbensyonal na thermal spraying para sa layuning ito. Ito ay dahil ang mga metalikong pulbos na mala-salamin ay nagkikristal sa mataas na temperatura1.
Karamihan sa mga kagamitang ginagamit sa industriya ng medisina at pagkain ay gawa sa austenitic stainless steel alloys (SUS316 at SUS304) na may chromium content sa pagitan ng 12 at 20 wt% para sa produksyon ng mga instrumentong pang-operasyon. Karaniwang tinatanggap na ang paggamit ng chromium metal bilang isang alloying element sa mga steel alloy ay maaaring lubos na mapabuti ang resistensya sa kalawang ng mga karaniwang steel alloy. Ang mga stainless steel alloy, sa kabila ng kanilang mataas na resistensya sa kalawang, ay hindi nagpapakita ng makabuluhang antimicrobial properties38,39. Ito ay kabaligtaran ng kanilang mataas na resistensya sa kalawang. Pagkatapos nito, maaaring mahulaan ang pag-unlad ng impeksyon at pamamaga, na pangunahing sanhi ng bacterial adhesion at kolonisasyon sa ibabaw ng mga biomaterial ng stainless steel. Maaaring lumitaw ang mga makabuluhang kahirapan dahil sa mga makabuluhang kahirapan na nauugnay sa bacterial adhesion at mga pathway ng pagbuo ng biofilm, na maaaring humantong sa pagkasira ng kalusugan, na maaaring magkaroon ng maraming kahihinatnan na maaaring direkta o hindi direktang makaapekto sa kalusugan ng tao.
Ang pag-aaral na ito ang unang yugto ng isang proyektong pinondohan ng Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), Contract No. 2010-550401, upang siyasatin ang posibilidad ng paggawa ng metalikong mala-salaming Cu-Zr-Ni ternary powders gamit ang teknolohiyang MA (Talahanayan 1) para sa produksyon ng antibacterial film/SUS304 surface protection coating. Ang ikalawang yugto ng proyekto, na nakatakdang magsimula sa Enero 2023, ay susuriin nang detalyado ang mga electrochemical corrosion characteristics at mechanical properties ng sistema. Isasagawa ang mga detalyadong microbiological test para sa iba't ibang bacterial species.
Sa papel na ito, tinalakay ang epekto ng nilalaman ng elemento ng Zr alloying sa kakayahan sa pagbuo ng salamin (GFA) batay sa mga katangiang morpolohikal at istruktural. Bukod pa rito, tinalakay din ang mga katangiang antibacterial ng pinahiran na metallic glass powder coating/SUS304 composite. Bukod pa rito, may kasalukuyang pag-aaral na isinagawa upang siyasatin ang posibilidad ng pagbabagong istruktural ng mga metallic glass powder na nagaganap sa panahon ng malamig na pag-spray sa loob ng subcooled liquid region ng mga gawa-gawang metallic glass system. Bilang mga representatibong halimbawa, ginamit sa pag-aaral na ito ang Cu50Zr30Ni20 at Cu50Zr20Ni30 metallic glass alloys.
Sa bahaging ito, ipapakita ang mga pagbabagong morpolohikal ng mga elemental na pulbos na Cu, Zr at Ni sa low energy ball milling. Bilang mga halimbawang naglalarawan, dalawang magkaibang sistema na binubuo ng Cu50Zr20Ni30 at Cu50Zr40Ni10 ang gagamitin bilang mga representatibong halimbawa. Ang proseso ng MA ay maaaring hatiin sa tatlong magkakaibang yugto, tulad ng ipinapakita ng metallographic characterization ng pulbos na ginawa sa yugto ng paggiling (Larawan 3).
Mga katangiang metalograpikal ng mga pulbos na mekanikal na haluang metal (MA) na nakuha pagkatapos ng iba't ibang yugto ng oras ng paggiling ng bola. Ang mga imahe ng field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) ng mga pulbos na MA at Cu50Zr40Ni10 na nakuha pagkatapos ng mga oras ng paggiling ng bola na may mababang enerhiya na 3, 12 at 50 oras ay ipinapakita sa (a), (c) at (e) para sa sistemang Cu50Zr20Ni30, habang sa parehong MA, ang mga katumbas na imahe ng sistemang Cu50Zr40Ni10 na kinuha pagkatapos ng oras ay ipinapakita sa (b), (d) at (f).
Sa panahon ng ball milling, ang epektibong kinetic energy na maaaring mailipat sa metal powder ay apektado ng kombinasyon ng mga parameter, tulad ng ipinapakita sa Fig. 1a. Kabilang dito ang mga banggaan sa pagitan ng mga bola at pulbos, compressive shearing ng pulbos na naipit sa pagitan o sa pagitan ng grinding media, epekto ng mga bumabagsak na bola, shear at wear dahil sa powder drag sa pagitan ng gumagalaw na ball milling media, at shock wave na dumadaan sa mga bumabagsak na bola na kumalat sa mga crop load (Fig. 1a). Ang mga elemental na pulbos na Cu, Zr, at Ni ay malubhang na-deform dahil sa cold welding sa maagang yugto ng MA (3 oras), na nagresulta sa malalaking particle ng pulbos (>1 mm ang diyametro). Ang malalaking composite particle na ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagbuo ng makapal na layer ng mga alloying elements (Cu, Zr, Ni), tulad ng ipinapakita sa Fig. 3a,b. Ang pagtaas ng oras ng MA sa 12 oras (intermediate stage) ay nagresulta sa pagtaas ng kinetic energy ng ball mill, na nagresulta sa decomposition ng composite powder sa mas pinong pulbos (mas mababa sa 200 µm), tulad ng ipinapakita sa Fig. 3c,d. Sa yugtong ito, ang inilapat na shear force ay humahantong sa pagbuo ng isang bagong ibabaw ng metal na may pinong mga patong ng Cu, Zr, Ni, gaya ng ipinapakita sa Fig. 3c,d. Bilang resulta ng pagpipino ng patong, nagaganap ang mga reaksyon ng solid phase sa interface ng mga flakes upang makabuo ng mga bagong phase.
Sa kasukdulan ng proseso ng MA (pagkatapos ng 50 oras), ang matitigas na metalograpiya ay bahagya lamang nakikita (Larawan 3e, f), ngunit ang makintab na ibabaw ng pulbos ay nagpakita ng mirror metallography. Nangangahulugan ito na ang proseso ng MA ay nakumpleto na at ang paglikha ng isang yugto ng reaksyon ay naganap na. Ang elementong komposisyon ng mga rehiyon na naka-index sa Larawan 3e (I, II, III), f, v, vi) ay natukoy gamit ang field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) na sinamahan ng energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) (IV).
Sa Talahanayan 2, ang mga konsentrasyon ng elemento ng haluang metal ay ipinapakita bilang porsyento ng kabuuang bigat ng bawat rehiyon na napili sa Fig. 3e,f. Kapag inihahambing ang mga resultang ito sa mga panimulang nominal na komposisyon ng Cu50Zr20Ni30 at Cu50Zr40Ni10 na nakalista sa Talahanayan 1, makikita na ang mga komposisyon ng dalawang pangwakas na produktong ito ay may halos magkaparehong halaga sa mga nominal na komposisyon. Bukod pa rito, ang mga relatibong halaga ng bahagi para sa mga rehiyon na nakalista sa Fig. 3e,f ay hindi nagpapahiwatig ng isang makabuluhang pagkasira o pagbabago-bago sa komposisyon ng bawat sample mula sa isang rehiyon patungo sa isa pa. Ito ay pinatutunayan ng katotohanan na walang pagbabago sa komposisyon mula sa isang rehiyon patungo sa isa pa. Ito ay tumutukoy sa produksyon ng mga homogenous na pulbos ng haluang metal, tulad ng ipinapakita sa Talahanayan 2.
Ang mga FE-SEM micrograph ng panghuling produktong Cu50(Zr50−xNix) na pulbos ay nakuha pagkatapos ng 50 MA times, gaya ng ipinapakita sa Fig. 4a–d, kung saan ang x ay 10, 20, 30 at 40 at.%, ayon sa pagkakabanggit. Pagkatapos ng hakbang na ito ng paggiling, ang pulbos ay nag-iipon dahil sa van der Waals effect, na nagreresulta sa pagbuo ng malalaking aggregate na binubuo ng mga ultrafine particle na may mga diyametro mula 73 hanggang 126 nm, gaya ng ipinapakita sa Figure 4.
Ang mga katangiang morpolohikal ng mga pulbos na Cu50(Zr50−xNix) na nakuha pagkatapos ng 50 oras na MA time. Para sa mga sistemang Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, ang mga imahe ng FE-SEM ng mga pulbos na nakuha pagkatapos ng 50 MA times ay ipinapakita sa (a), (b), (c) at (d), ayon sa pagkakabanggit.
Bago ilagay ang mga pulbos sa isang malamig na spray feeder, una itong in-sonicate sa analytical grade ethanol sa loob ng 15 minuto at pagkatapos ay pinatuyo sa 150°C sa loob ng 2 oras. Ang hakbang na ito ay dapat gawin upang matagumpay na labanan ang agglomeration na kadalasang nagdudulot ng maraming makabuluhang problema sa buong proseso ng coating. Matapos makumpleto ang proseso ng MA, isinagawa ang mga karagdagang karakterisasyon upang siyasatin ang homogeneity ng mga pulbos ng haluang metal. Ipinapakita ng Figure 5a–d ang mga FE-SEM micrograph at ang mga kaukulang imahe ng EDS ng mga elemento ng Cu, Zr at Ni alloying ng Cu50Zr30Ni20 alloy na nakuha pagkatapos ng 50 oras ng M oras, ayon sa pagkakabanggit. Dapat tandaan na ang mga pulbos ng haluang metal na ginawa pagkatapos ng hakbang na ito ay homogenous dahil hindi sila nagpapakita ng anumang compositional fluctuations na lampas sa sub-nanometer level, tulad ng ipinapakita sa Figure 5.
Morpolohiya at lokal na distribusyon ng elemento ng pulbos na MG Cu50Zr30Ni20 na nakuha pagkatapos ng 50 MA beses sa pamamagitan ng FE-SEM/energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).(a) Pagmamapa ng SEM at X-ray EDS ng (b) mga imahe ng Cu-Kα, (c) Zr-Lα at (d) Ni-Kα.
Ang mga XRD pattern ng mga mekanikal na haluang metal na Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 at Cu50Zr20Ni30 na pulbos na nakuha pagkatapos ng 50 oras na MA ay ipinapakita sa Fig. 6a–d, ayon sa pagkakabanggit. Pagkatapos ng yugtong ito ng paggiling, lahat ng mga sample na may iba't ibang konsentrasyon ng Zr ay nagpakita ng mga amorphous na istruktura na may katangiang mga pattern ng halo diffusion na ipinapakita sa Fig. 6.
Ang mga XRD pattern ng (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 at (d) Cu50Zr20Ni30 na pulbos pagkatapos ng 50 oras na MA time. Lahat ng sample nang walang pagbubukod ay nagpakita ng halo diffusion pattern, na nagpapahiwatig ng pagbuo ng isang amorphous phase.
Ginamit ang field emission high-resolution transmission electron microscopy (FE-HRTEM) upang obserbahan ang mga pagbabago sa istruktura at maunawaan ang lokal na istruktura ng mga pulbos na resulta ng ball milling sa iba't ibang oras ng MA. Ang mga imahe ng FE-HRTEM ng mga pulbos na nakuha pagkatapos ng maaga (6 na oras) at intermediate (18 oras) na yugto ng paggiling para sa mga pulbos na Cu50Zr30Ni20 at Cu50Zr40Ni10 ay ipinapakita sa Fig. 7a,c, ayon sa pagkakabanggit. Ayon sa bright field image (BFI) ng pulbos na ginawa pagkatapos ng MA​​ 6 na oras, ang pulbos ay binubuo ng malalaking butil na may mahusay na natukoy na mga hangganan ng mga elementong fcc-Cu, hcp-Zr at fcc-Ni, at walang senyales na nabuo na ang reaction phase, tulad ng ipinapakita sa Fig. 7a. Bukod pa rito, ang correlated selected area diffraction pattern (SADP) na kinuha mula sa gitnang rehiyon ng (a) ay nagpakita ng cusp diffraction pattern (Fig. 7b), na nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng malalaking crystallite at kawalan ng reactive phase.
Lokal na istruktural na karakterisasyon ng MA powder na nakuha pagkatapos ng maaga (6 na oras) at intermediate (18 oras) na mga yugto. (a) Field emission high resolution transmission electron microscopy (FE-HRTEM), at (b) ang katumbas na napiling area diffraction pattern (SADP) ng Cu50Zr30Ni20 powder pagkatapos ng MA treatment sa loob ng 6 na oras. Ang imahe ng FE-HRTEM ng Cu50Zr40Ni10 na nakuha pagkatapos ng MA time na 18 oras ay ipinapakita sa (c).
Gaya ng ipinapakita sa Fig. 7c, ang pagpapahaba ng tagal ng MA sa 18 oras ay nagresulta sa malalang depekto sa lattice na sinamahan ng plastic deformation. Sa panahong ito ng proseso ng MA, ang pulbos ay nagpapakita ng iba't ibang depekto, kabilang ang mga stacking fault, mga depekto sa lattice, at mga depekto sa point (Figure 7). Ang mga depektong ito ay nagiging sanhi ng pagkahati ng malalaking butil sa mga hangganan ng kanilang butil sa mga subgrain na may sukat na mas mababa sa 20 nm (Fig. 7c).
Ang lokal na istruktura ng Cu50Z30Ni20 powder na giniling sa loob ng 36 oras na MA time ay may pormasyon ng mga ultrafine nanograin na nakabaon sa isang amorphous fine matrix, gaya ng ipinapakita sa Fig. 8a. Ipinahiwatig ng lokal na pagsusuri ng EDS na ang mga nanocluster na ipinapakita sa Fig. 8a ay nauugnay sa mga hindi naprosesong Cu, Zr at Ni powder alloying elements. Kasabay nito, ang nilalaman ng Cu ng matrix ay nagbago mula ~32 at.% (lean area) hanggang ~74 ​​at.% (rich area), na nagpapahiwatig ng pagbuo ng mga heterogeneous na produkto. Bukod pa rito, ang mga kaukulang SADP ng mga pulbos na nakuha pagkatapos ng paggiling sa yugtong ito ay nagpapakita ng halo-diffusing primary at secondary rings ng amorphous phase, na nagpapatong-patong sa mga matutulis na punto na nauugnay sa mga raw alloying elements, gaya ng ipinapakita sa Fig. 8b.
Higit pa sa 36 h-Cu50Zr30Ni20 na pulbos na nanoscale na lokal na katangian ng istruktura. (a) Imahe ng maliwanag na field (BFI) at katumbas na (b) SADP ng pulbos na Cu50Zr30Ni20 na nakuha pagkatapos ng paggiling sa loob ng 36 oras na MA na oras.
Malapit sa katapusan ng proseso ng MA (50 oras), ang mga pulbos na Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 at 40 at.% ay palaging mayroong morpolohiya ng amorphous phase na parang labyrinthine gaya ng ipinapakita sa Fig. 9a–d. Sa katumbas na SADP ng bawat komposisyon, walang nakitang mga diffraction na parang punto o matutulis na annular pattern. Ipinapahiwatig nito na walang hindi naprosesong crystalline metal, kundi isang amorphous alloy powder ang nabuo. Ang mga correlated SADP na ito na nagpapakita ng mga halo diffusion pattern ay ginamit din bilang ebidensya para sa pag-unlad ng mga amorphous phase sa huling materyal ng produkto.
Lokal na istruktura ng pangwakas na produkto ng sistemang MG Cu50 (Zr50−xNix). FE-HRTEM at mga kaugnay na nanobeam diffraction pattern (NBDP) ng (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 at (d) Cu50Zr10Ni40 na nakuha pagkatapos ng 50 oras ng MA.
Ang thermal stability ng glass transition temperature (Tg), subcooled liquid region (ΔTx) at crystallization temperature (Tx) bilang function ng Ni content (x) ng amorphous Cu50(Zr50−xNix) system ay siniyasat gamit ang differential scanning Calorimetry (DSC) ng mga katangian sa ilalim ng He gas flow. Ang mga DSC trace ng Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 at Cu50Zr10Ni40 amorphous alloy powders na nakuha pagkatapos ng MA time na 50 oras ay ipinapakita sa Fig. 10a, b, e, ayon sa pagkakabanggit. Habang ang DSC curve ng amorphous Cu50Zr20Ni30 ay ipinapakita nang hiwalay sa Fig. 10c. Samantala, ang Cu50Zr30Ni20 sample na pinainit sa ~700 °C sa DSC ay ipinapakita sa Fig. 10d.
Katatagan ng init ng mga pulbos na Cu50(Zr50−xNix) MG na nakuha pagkatapos ng 50 oras na MA time, ayon sa indeks ng glass transition temperature (Tg), crystallization temperature (Tx), at subcooled liquid region (ΔTx). Mga thermogram ng differential scanning calorimeter (DSC) ng (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 at (e) Cu50Zr10Ni40 MG alloy powder pagkatapos ng 50 oras na MA time. Ang X-ray diffraction (XRD) pattern ng sample na Cu50Zr30Ni20 na pinainit sa ~700 °C sa DSC ay ipinapakita sa (d).
Gaya ng ipinapakita sa Figure 10, ang mga kurba ng DSC ng lahat ng komposisyon na may iba't ibang konsentrasyon ng Ni (x) ay nagpapahiwatig ng dalawang magkaibang kaso, ang isa ay endothermic at ang isa ay exothermic. Ang unang endothermic event ay tumutugma sa Tg, habang ang pangalawa ay nauugnay sa Tx. Ang pahalang na span region na umiiral sa pagitan ng Tg at Tx ay tinatawag na subcooled liquid region (ΔTx = Tx – Tg). Ipinapakita ng mga resulta na ang Tg at Tx ng Cu50Zr40Ni10 sample (Fig. 10a), na inilagay sa 526°C at 612°C, ay naglilipat ng nilalaman (x) sa 20 at.% patungo sa mababang bahagi ng temperatura na 482°C at 563°C kasabay ng pagtaas ng nilalaman ng Ni (x), ayon sa pagkakabanggit, gaya ng ipinapakita sa Figure 10b. Dahil dito, ang ΔTx ng Cu50Zr40Ni10 ay bumababa mula 86 °C (Fig. 10a) hanggang 81 °C para sa Cu50Zr30Ni20 (Fig. 1). 10b). Para sa MG Cu50Zr40Ni10 alloy, naobserbahan din na ang mga halaga ng Tg, Tx at ΔTx ay bumaba sa antas na 447°C, 526°C at 79°C (Fig. 10b). Ipinapahiwatig nito na ang pagtaas ng nilalaman ng Ni ay humahantong sa pagbaba ng thermal stability ng MG alloy. Sa kabaligtaran, ang halaga ng Tg (507 °C) ng MG Cu50Zr20Ni30 alloy ay mas mababa kaysa sa MG Cu50Zr40Ni10 alloy; gayunpaman, ang Tx nito ay nagpapakita ng maihahambing na halaga sa nauna (612 °C). Samakatuwid, ang ΔTx ay nagpapakita ng mas mataas na halaga (87°C), tulad ng ipinapakita sa Fig. 10c.
Ang sistemang MG Cu50(Zr50−xNix), kung gagamitin ang haluang metal na MG Cu50Zr20Ni30 bilang halimbawa, ay nagkikristal sa pamamagitan ng isang matalas na exothermic peak patungo sa mga yugtong kristal ng fcc-ZrCu5, orthorhombic-Zr7Cu10 at orthorhombic-ZrNi (Larawan 10c). Ang amorphous to crystalline phase transition na ito ay kinumpirma ng XRD ng sample ng MG (Larawan 10d), na pinainit sa 700 °C sa DSC.
Ipinapakita ng Figure 11 ang mga litratong kuha habang isinasagawa ang proseso ng cold spray sa kasalukuyang gawain. Sa pag-aaral na ito, ang mga metal na mala-salaming pulbos na partikulo na na-synthesize pagkatapos ng 50 oras na MA time (halimbawa, ang Cu50Zr20Ni30) ay ginamit bilang mga antibacterial raw material, at ang stainless steel plate (SUS304) ay pinahiran ng cold spraying technology. Ang cold spray method ay pinili para sa patong sa thermal spray technology series dahil ito ang pinakaepektibong paraan sa thermal spray series at maaaring gamitin para sa mga metal metastable temperature sensitive materials tulad ng amorphous at nanocrystalline powders, na hindi sumasailalim sa phase transitions. Ito ang pangunahing salik sa pagpili ng pamamaraang ito. Ang cold spray process ay isinasagawa sa pamamagitan ng paggamit ng mga high-velocity particle na nagko-convert ng kinetic energy ng mga particle sa plastic deformation, strain at heat kapag natamaan ng substrate o mga dati nang naidepositong particle.
Ipinapakita ng mga larawan sa field ang pamamaraan ng cold spray na ginamit para sa limang magkakasunod na paghahanda ng MG coating/SUS 304 sa 550 °C.
Ang kinetic energy ng mga particle, at sa gayon ay ang momentum ng bawat particle sa pagbuo ng patong, ay dapat na i-convert sa iba pang mga anyo ng enerhiya sa pamamagitan ng mga mekanismo tulad ng plastic deformation (mga paunang interaksyon ng particle at particle-particle sa substrate at particle interaction), voids Consolidation, particle-particle rotation, strain at sa huli ay init 39. Bukod pa rito, kung hindi lahat ng papasok na kinetic energy ay na-convert sa init at strain energy, ang resulta ay isang elastic collision, na nangangahulugan na ang mga particle ay basta na lang tumatalbog pabalik pagkatapos ng impact. Itinuro na 90% ng impact energy na inilapat sa materyal ng particle/substrate ay na-convert sa lokal na init 40. Bukod pa rito, kapag inilapat ang impact stress, ang mataas na plastic strain rates ay nakakamit sa contact particle/substrate region sa napakaikling panahon 41,42.
Ang plastik na deformasyon ay karaniwang itinuturing na isang proseso ng pagkawala ng enerhiya, o mas partikular, isang pinagmumulan ng init sa rehiyon ng interfacial. Gayunpaman, ang pagtaas ng temperatura sa rehiyon ng interfacial ay karaniwang hindi sapat upang makagawa ng interfacial na pagkatunaw o upang makabuluhang mapabilis ang atomic interdiffusion. Walang publikasyong alam ng mga may-akda ang nagsisiyasat sa epekto ng mga katangian ng mga metalikong mala-salaming pulbos na ito sa pagdikit at pagdeposito ng pulbos na nangyayari kapag ginagamit ang mga pamamaraan ng cold spray.
Ang BFI ng MG Cu50Zr20Ni30 alloy powder ay makikita sa Fig. 12a, na pinahiran sa SUS 304 substrate (Figs. 11, 12b). Gaya ng makikita sa figure, ang mga pinahiran na pulbos ay nagpapanatili ng kanilang orihinal na amorphous na istraktura dahil mayroon silang isang maselang istraktura ng labyrinth na walang anumang mala-kristal na katangian o mga depekto sa lattice. Sa kabilang banda, ang imahe ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng isang extraneous phase, tulad ng iminungkahi ng mga nanoparticle na isinama sa MG-coated powder matrix (Fig. 12a). Inilalarawan ng Figure 12c ang indexed nanobeam diffraction pattern (NBDP) na nauugnay sa region I (Figure 12a). Gaya ng ipinapakita sa Fig. 12c, ang NBDP ay nagpapakita ng isang mahinang halo diffusion pattern ng amorphous na istraktura at magkakasamang nabubuhay kasama ang matutulis na mga patch na naaayon sa mala-kristal na malaking cubic Zr2Ni metastable kasama ang tetragonal CuO phase. Ang pagbuo ng CuO ay maaaring maiugnay sa oksihenasyon ng pulbos kapag naglalakbay mula sa nozzle ng spray gun patungo sa SUS 304 sa bukas na hangin sa ilalim ng supersonic na daloy. Sa kabilang banda, ang devitrification ng mga metalikong mala-salaming pulbos ay nakamit ang pagbuo ng malalaking cubic phase pagkatapos ng cold spray treatment sa 550 °C sa loob ng 30 minuto.
(a) Larawan ng FE-HRTEM ng pulbos na MG na pinahiran sa (b) SUS 304 substrate (inset ng pigura). Ang indeks na NBDP ng pabilog na simbolo na ipinapakita sa (a) ay ipinapakita sa (c).
Upang mapatunayan ang potensyal na mekanismong ito para sa pagbuo ng malalaking kubiko na nanoparticle ng Zr2Ni, isang independiyenteng eksperimento ang isinagawa. Sa eksperimentong ito, ang mga pulbos ay inispray mula sa isang spray gun sa 550 °C patungo sa substrate ng SUS 304; gayunpaman, upang maipaliwanag ang epekto ng annealing ng mga pulbos, ang mga ito ay tinanggal mula sa strip ng SUS304 sa lalong madaling panahon (mga 60 segundo). Isa pang hanay ng mga eksperimento ang isinagawa kung saan ang pulbos ay tinanggal mula sa substrate mga 180 segundo pagkatapos ng deposition.
Ang mga Larawan 13a, b ay nagpapakita ng mga imahe ng dark field (DFI) na nakuha sa pamamagitan ng scanning transmission electron microscopy (STEM) ng dalawang inispray na materyales na idineposito sa mga substrate ng SUS 304 sa loob ng 60 segundo at 180 segundo, ayon sa pagkakabanggit. Ang imahe ng pulbos na idineposito sa loob ng 60 segundo ay walang detalyeng morpolohikal, na nagpapakita ng kawalan ng katangian (Larawan 13a). Kinumpirma rin ito ng XRD, na nagpahiwatig na ang pangkalahatang istruktura ng mga pulbos na ito ay amorphous, tulad ng ipinahiwatig ng malawak na pangunahin at pangalawang diffraction maxima na ipinapakita sa Larawan 14a. Ipinapahiwatig nito ang kawalan ng metastable/mesophase precipitation, kung saan pinapanatili ng pulbos ang orihinal nitong amorphous na istruktura. Sa kabaligtaran, ang pulbos na inispray sa parehong temperatura (550 °C), ngunit iniwan sa substrate sa loob ng 180 segundo, ay nagpakita ng presipitasyon ng mga nano-sized na butil, tulad ng ipinahiwatig ng mga arrow sa Larawan 13b.