Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümü sınırlı CSS desteğine sahiptir. En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu arada, sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan sunacağız.
Biyofilmler, özellikle tıbbi cihazlar söz konusu olduğunda kronik enfeksiyonların gelişiminde önemli bir bileşendir. Bu sorun, standart antibiyotiklerin biyofilmleri yalnızca çok sınırlı bir ölçüde yok edebilmesi nedeniyle tıbbi topluluk için büyük bir zorluk oluşturmaktadır. Biyofilm oluşumunun önlenmesi, çeşitli kaplama yöntemlerinin ve yeni malzemelerin geliştirilmesine yol açmıştır. Bu teknikler, yüzeyleri biyofilm oluşumunu önleyecek şekilde kaplamayı amaçlamaktadır. Özellikle bakır ve titanyum metalleri içeren camsı metal alaşımları, ideal antimikrobiyal kaplamalar haline gelmiştir. Aynı zamanda, sıcaklığa duyarlı malzemelerin işlenmesi için uygun bir yöntem olduğu için soğuk püskürtme teknolojisinin kullanımı artmıştır. Bu araştırmanın hedeflerinden biri, mekanik alaşımlama teknikleri kullanılarak Cu-Zr-Ni üçlüsünden oluşan yeni bir antibakteriyel film metalik cam geliştirmekti. Son ürünü oluşturan küresel toz, düşük sıcaklıklarda paslanmaz çelik yüzeylerin soğuk püskürtülmesi için hammadde olarak kullanılır. Metal cam kaplamalı substratlar, biyofilm oluşumunu paslanmaz çeliğe kıyasla en az 1 log oranında önemli ölçüde azaltabilmiştir.
İnsanlık tarihi boyunca, herhangi bir toplum, belirli gereksinimlerini karşılamak için yeni malzemelerin tanıtımını geliştirip teşvik edebilmiş ve bunun sonucunda küreselleşmiş bir ekonomide artan üretkenlik ve sıralama elde etmiştir1. Bu her zaman, bir ülkeden veya bölgeden diğerine sağlık, eğitim, endüstri, ekonomi, kültür ve diğer alanlarda malzeme ve üretim ekipmanı tasarlama ve malzeme üretme ve karakterize etme tasarımlarının yanı sıra insanın yeteneğine atfedilmiştir. İlerleme, ülke veya bölgeden bağımsız olarak ölçülür2. 60 yıldır, malzeme bilimcileri tek bir ana göreve çok zaman ayırdılar: yeni ve gelişmiş malzemeler aramak. Son araştırmalar, mevcut malzemelerin kalitesini ve performansını iyileştirmenin yanı sıra tamamen yeni malzeme türlerini sentezlemeye ve icat etmeye odaklanmıştır.
Alaşım elementlerinin eklenmesi, malzemenin mikro yapısının değiştirilmesi ve termal, mekanik veya termomekanik işlem yöntemlerinin uygulanması, çeşitli malzemelerin mekanik, kimyasal ve fiziksel özelliklerinde önemli bir iyileşmeye yol açmıştır. Ayrıca, şimdiye kadar bilinmeyen bileşikler başarıyla sentezlenmiştir. Bu ısrarlı çabalar, toplu olarak İleri Malzemeler2 olarak bilinen yeni bir yenilikçi malzeme ailesinin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Nanokristaller, nanopartiküller, nanotüpler, kuantum noktaları, sıfır boyutlu, amorf metalik camlar ve yüksek entropili alaşımlar, geçen yüzyılın ortalarından bu yana dünyada ortaya çıkan ileri malzemelere sadece birkaç örnektir. Hem nihai üründe hem de üretiminin ara aşamalarında, iyileştirilmiş özelliklere sahip yeni alaşımların imalatında ve geliştirilmesinde, genellikle dengesizlik sorunu eklenir. Dengeden önemli sapmalara izin veren yeni üretim tekniklerinin tanıtılmasının bir sonucu olarak, metalik camlar olarak bilinen tamamen yeni bir metastabil alaşım sınıfı keşfedilmiştir.
1960 yılında Caltech'te yaptığı çalışma, saniyede yaklaşık bir milyon derece hızla sıvıları katılaştırarak Au-25 at.% Si camsı alaşımlarını sentezlediğinde metal alaşımları kavramında devrim yarattı. 4 Profesör Paul Duves'in keşfi yalnızca metal camların (MS) tarihinin başlangıcını değil, aynı zamanda insanların metal alaşımları hakkındaki düşüncelerinde bir paradigma değişimine de yol açtı. MS alaşımlarının sentezindeki ilk öncü araştırmalardan bu yana, neredeyse tüm metalik camlar aşağıdaki yöntemlerden biri kullanılarak tamamen elde edilmiştir: (i) eriyik veya buharın hızlı katılaştırılması, (ii) atomik kafes bozukluğu, (iii) saf metalik elementler arasındaki katı hal amorfizasyon reaksiyonları ve (iv) metastabil fazların katı faz geçişleri.
MG'ler, kristallerle ilişkili uzun menzilli atom düzeninin olmamasıyla ayırt edilirler; bu, kristallerin tanımlayıcı bir özelliğidir. Modern dünyada, metalik cam alanında büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. Bunlar, yalnızca katı hal fiziği için değil, aynı zamanda metalurji, yüzey kimyası, teknoloji, biyoloji ve diğer birçok alan için de ilgi çekici olan ilginç özelliklere sahip yeni malzemelerdir. Bu yeni malzeme türü, sert metallerden farklı özelliklere sahiptir ve bu da onu çeşitli alanlardaki teknolojik uygulamalar için ilginç bir aday yapar. Bazı önemli özelliklere sahiptirler: (i) yüksek mekanik süneklik ve akma dayanımı, (ii) yüksek manyetik geçirgenlik, (iii) düşük koersivite, (iv) alışılmadık korozyon direnci, (v) sıcaklık bağımsızlığı. İletkenlik 6.7.
Mekanik alaşımlama (MA)1,8 nispeten yeni bir yöntemdir ve ilk olarak 19839 yılında Prof. KK Kok ve meslektaşları tarafından tanıtılmıştır. Saf elementlerin bir karışımını oda sıcaklığına çok yakın bir ortam sıcaklığında öğüterek amorf Ni60Nb40 tozları üretmişlerdir. Tipik olarak, MA reaksiyonu, genellikle paslanmaz çelikten yapılmış bir reaktördeki reaktan tozların bir bilyalı değirmene difüzyon bağlanması arasında gerçekleştirilir. 10 (Şekil 1a, b). O zamandan beri, bu mekanik olarak indüklenen katı hal reaksiyon yöntemi, düşük (Şekil 1c) ve yüksek enerjili bilyalı değirmenler ve çubuk değirmenler11,12,13,14,15,16 kullanılarak yeni amorf/metalik cam alaşım tozları hazırlamak için kullanılmıştır. Özellikle, bu yöntem Cu-Ta17 gibi karışmayan sistemlerin yanı sıra Al-geçiş metali (TM, Zr, Hf, Nb ve Ta)18,19 ve Fe-W20 sistemleri gibi yüksek erime noktalı alaşımları hazırlamak için kullanılmıştır. , geleneksel pişirme yöntemleri kullanılarak elde edilemeyen. Ayrıca, MA, metal oksitler, karbürler, nitrürler, hidritler, karbon nanotüpleri, nanoelmasların nanokristalin ve nanokompozit toz parçacıklarının endüstriyel ölçekte üretimi ve yukarıdan aşağıya bir yaklaşım kullanılarak geniş stabilizasyon için en güçlü nanoteknolojik araçlardan biri olarak kabul edilir. 1 ve metastabil aşamalar.
Bu çalışmada Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 metalik cam kaplamanın hazırlanmasında kullanılan üretim yöntemini gösteren şema. (a) Düşük enerjili bilyalı öğütme yöntemi kullanılarak çeşitli Ni x (x; %10, 20, 30 ve 40) konsantrasyonlarına sahip MC alaşım tozlarının hazırlanması. (a) Başlangıç ​​malzemesi, takım çelik bilyalarıyla birlikte bir takım silindirine yüklenir ve (b) He atmosferiyle dolu bir eldiven kutusuna kapatılır. (c) Öğütme sırasında bilyanın hareketini gösteren öğütme kabının şeffaf modeli. 50 saat sonra elde edilen son toz ürünü, SUS 304 alt tabakasını soğuk püskürtme kaplamak için kullanıldı (d).
Toplu malzeme yüzeyleri (substratlar) söz konusu olduğunda, yüzey mühendisliği, orijinal toplu malzemede bulunmayan belirli fiziksel, kimyasal ve teknik özellikler sağlamak için yüzeylerin (substratların) tasarımını ve modifikasyonunu içerir. Yüzey işlemiyle etkili bir şekilde iyileştirilebilen özelliklerden bazıları, sadece birkaçını saymak gerekirse, aşınma, oksidasyon ve korozyon direnci, sürtünme katsayısı, biyoinertlik, elektriksel özellikler ve termal yalıtımdır. Yüzey kalitesi metalurjik, mekanik veya kimyasal yöntemlerle iyileştirilebilir. İyi bilinen bir işlem olarak kaplama, basitçe, başka bir malzemeden yapılmış bir toplu nesnenin (substrat) yüzeyine yapay olarak uygulanan bir veya daha fazla malzeme katmanı olarak tanımlanır. Bu nedenle, kaplamalar kısmen istenen teknik veya dekoratif özellikleri elde etmek ve ayrıca malzemeleri çevre ile beklenen kimyasal ve fiziksel etkileşimlerden korumak için kullanılır23.
Uygun koruyucu katmanları birkaç mikrondan (10-20 mikronun altında) 30 mikrondan fazla veya hatta birkaç milimetre kalınlığa kadar uygulamak için çeşitli yöntemler ve teknikler kullanılabilir. Genel olarak, kaplama işlemleri iki kategoriye ayrılabilir: (i) elektrokaplama, elektrokaplama ve sıcak daldırma galvanizleme dahil ıslak kaplama yöntemleri ve (ii) lehimleme, sert yüzey kaplama, fiziksel buhar biriktirme (PVD) dahil kuru kaplama yöntemleri. ), kimyasal buhar biriktirme (CVD), termal püskürtme teknikleri ve daha yakın zamanda soğuk püskürtme teknikleri 24 (Şekil 1d).
Biyofilmler, yüzeylere geri döndürülemez şekilde tutunmuş ve kendi kendine üretilen hücre dışı polimerlerle (EPS) çevrili mikrobiyal topluluklar olarak tanımlanır. Yüzeysel olarak olgunlaşmış bir biyofilmin oluşumu, gıda işleme, su sistemleri ve sağlık hizmetleri dahil olmak üzere birçok sektörde önemli kayıplara yol açabilir. İnsanlarda, biyofilm oluşumuyla birlikte mikrobiyal enfeksiyon vakalarının (Enterobacteriaceae ve Staphylococci dahil) %80'inden fazlasının tedavisi zordur. Ek olarak, olgun biyofilmlerin planktonik bakteri hücrelerine kıyasla antibiyotik tedavisine 1000 kat daha dirençli olduğu bildirilmiştir; bu da büyük bir terapötik zorluk olarak kabul edilir. Tarihsel olarak, yaygın organik bileşiklerden türetilen antimikrobiyal yüzey kaplama malzemeleri kullanılmıştır. Bu tür malzemeler genellikle insanlar için potansiyel olarak zararlı toksik bileşenler içerse de25,26 bu, bakteriyel bulaşmayı ve malzeme bozulmasını önlemeye yardımcı olabilir.
Biyofilm oluşumu nedeniyle antibiyotik tedavisine karşı yaygın bakteri direnci, güvenli bir şekilde uygulanabilen etkili bir antimikrobiyal membran kaplı yüzey geliştirme ihtiyacını doğurmuştur27. Bakteri hücrelerinin bağlanamayacağı ve yapışma nedeniyle biyofilm oluşturamayacağı fiziksel veya kimyasal yapışma önleyici bir yüzeyin geliştirilmesi bu süreçteki ilk yaklaşımdır27. İkinci teknoloji, antimikrobiyal kimyasalları tam olarak ihtiyaç duyulan yere, yüksek oranda konsantre ve özel miktarlarda ulaştıran kaplamalar geliştirmektir. Bu, bakterilere dirençli grafen/germanyum28, siyah elmas29 ve ZnO30 katkılı elmas benzeri karbon kaplamalar gibi benzersiz kaplama malzemelerinin geliştirilmesiyle elde edilir; bu teknoloji, biyofilm oluşumu nedeniyle toksisite ve direnç gelişimini en üst düzeye çıkarır. Ayrıca, bakteri kontaminasyonuna karşı uzun süreli koruma sağlayan mikrop öldürücü kimyasallar içeren kaplamalar giderek daha popüler hale geliyor. Her üç prosedür de kaplanmış yüzeylerde antimikrobiyal aktivite uygulayabilse de, her birinin bir uygulama stratejisi geliştirirken dikkate alınması gereken kendi sınırlamaları vardır.
Şu anda piyasada bulunan ürünler, biyolojik olarak aktif bileşenler için koruyucu kaplamaları analiz etmek ve test etmek için zaman eksikliğinden dolayı engellenmektedir. Şirketler, ürünlerinin kullanıcılara istenen işlevsel yönleri sağlayacağını iddia etmektedir, ancak bu, şu anda piyasada bulunan ürünlerin başarısının önünde bir engel haline gelmiştir. Gümüşten türetilen bileşikler, şu anda tüketicilere sunulan antimikrobiyallerin büyük çoğunluğunda kullanılmaktadır. Bu ürünler, kullanıcıları mikroorganizmalara karşı potansiyel olarak zararlı maruziyetten korumak için tasarlanmıştır. Gümüş bileşiklerinin gecikmiş antimikrobiyal etkisi ve ilişkili toksisitesi, araştırmacılar üzerinde daha az zararlı bir alternatif geliştirme baskısını artırmaktadır36,37. İçeride ve dışarıda çalışan küresel bir antimikrobiyal kaplama oluşturmak bir zorluk olmaya devam etmektedir. Bu, ilişkili sağlık ve güvenlik riskleriyle birlikte gelir. İnsanlar için daha az zararlı bir antimikrobiyal madde keşfetmek ve bunu daha uzun raf ömrüne sahip kaplama alt tabakalarına nasıl dahil edeceğimizi bulmak çok aranan bir hedeftir38. En son antimikrobiyal ve antibiyofilm malzemeleri, bakterileri doğrudan temasla veya aktif maddenin salınmasından sonra yakın mesafeden öldürmek üzere tasarlanmıştır. Bunu, başlangıçtaki bakteriyel yapışmayı engelleyerek (yüzeyde bir protein tabakasının oluşumunu engellemek dahil) veya hücre duvarına müdahale ederek bakterileri öldürerek yapabilirler.
Esasen, yüzey kaplama, bir bileşenin yüzeyine yüzey özelliklerini iyileştirmek için başka bir katman uygulama sürecidir. Bir yüzey kaplamanın amacı, bir bileşenin yüzeye yakın bölgesinin mikro yapısını ve/veya bileşimini değiştirmektir39. Yüzey kaplama yöntemleri, Şekil 2a'da özetlenen farklı yöntemlere ayrılabilir. Kaplamalar, kaplamayı oluşturmak için kullanılan yönteme bağlı olarak termal, kimyasal, fiziksel ve elektrokimyasal kategorilere ayrılabilir.
(a) Ana yüzey üretim tekniklerini gösteren bir ek ve (b) soğuk püskürtme yönteminin seçilmiş avantajları ve dezavantajları.
Soğuk püskürtme teknolojisi, geleneksel termal püskürtme teknikleriyle çok ortak özelliğe sahiptir. Ancak, soğuk püskürtme işlemini ve soğuk püskürtme malzemelerini özellikle benzersiz kılan bazı temel özellikler de vardır. Soğuk püskürtme teknolojisi henüz emekleme aşamasındadır, ancak büyük bir geleceği vardır. Bazı durumlarda, soğuk püskürtmenin benzersiz özellikleri, geleneksel termal püskürtme tekniklerinin sınırlamalarını aşarak büyük faydalar sunar. Tozun bir alt tabakaya biriktirilmesi için eritilmesi gereken geleneksel termal püskürtme teknolojisinin önemli sınırlamalarını aşar. Açıkçası, bu geleneksel kaplama işlemi nanokristaller, nanopartiküller, amorf ve metalik camlar40, 41, 42 gibi çok sıcaklığa duyarlı malzemeler için uygun değildir. Ek olarak, termal püskürtme kaplama malzemeleri her zaman yüksek düzeyde gözenekliliğe ve oksitlere sahiptir. Soğuk püskürtme teknolojisinin termal püskürtme teknolojisine göre birçok önemli avantajı vardır, örneğin (i) alt tabakaya minimum ısı girişi, (ii) alt tabaka kaplamasını seçmede esneklik, (iii) faz dönüşümü ve tane büyümesi olmaması, (iv) yüksek yapışma mukavemeti1 .39 (Şekil 2b). Ek olarak, soğuk püskürtme kaplama malzemeleri yüksek korozyon direncine, yüksek mukavemete ve sertliğe, yüksek elektrik iletkenliğine ve yüksek yoğunluğa sahiptir41. Soğuk püskürtme işleminin avantajlarına rağmen, bu yöntemin Şekil 2b'de gösterildiği gibi hala bazı dezavantajları vardır. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, vb. gibi saf seramik tozları kaplanırken, soğuk püskürtme yöntemi kullanılamaz. Öte yandan, seramik/metal kompozit tozları kaplamalar için hammadde olarak kullanılabilir. Aynı şey diğer termal püskürtme yöntemleri için de geçerlidir. Zor yüzeyler ve boru iç kısımlarının püskürtülmesi hala zordur.
Mevcut çalışmanın kaplamalar için başlangıç ​​malzemesi olarak metalik camsı tozların kullanımına yönelik olduğu düşünüldüğünde, geleneksel termal püskürtmenin bu amaç için kullanılamayacağı açıktır. Bunun nedeni metalik camsı tozların yüksek sıcaklıklarda kristalleşmesidir1.
Tıbbi ve gıda endüstrilerinde kullanılan aletlerin çoğu, cerrahi aletlerin üretimi için %12 ila %20 ağırlık oranında krom içeren ostenitik paslanmaz çelik alaşımlarından (SUS316 ve SUS304) yapılır. Çelik alaşımlarında alaşım elementi olarak krom metalinin kullanılmasının standart çelik alaşımlarının korozyon direncini önemli ölçüde artırabileceği genel olarak kabul edilmektedir. Paslanmaz çelik alaşımları, yüksek korozyon dirençlerine rağmen önemli antimikrobiyal özelliklere sahip değildir38,39. Bu, yüksek korozyon dirençleriyle çelişir. Bundan sonra, esas olarak paslanmaz çelik biyomalzemelerinin yüzeyindeki bakteriyel yapışma ve kolonizasyondan kaynaklanan enfeksiyon ve iltihaplanma gelişimini tahmin etmek mümkündür. Bakteriyel yapışma ve biyofilm oluşumu yollarıyla ilişkili önemli zorluklar nedeniyle önemli zorluklar ortaya çıkabilir ve bu da insan sağlığını doğrudan veya dolaylı olarak etkileyebilecek birçok sonuca yol açabilen kötü sağlık durumlarına yol açabilir.
Bu çalışma, Kuveyt Bilim İlerlemesi Vakfı (KFAS) tarafından finanse edilen, sözleşme numarası 2010-550401 olan, MA teknolojisi kullanılarak metalik camsı Cu-Zr-Ni üçlü tozlarının üretilmesinin fizibilitesini araştırmak üzere yürütülen bir projenin ilk aşamasıdır (tablo). 1) SUS304 antibakteriyel yüzey koruma filmi/kaplaması üretimi için. Ocak 2023'te başlaması planlanan projenin ikinci aşaması, galvanik korozyon özelliklerini ve sistemin mekanik özelliklerini ayrıntılı olarak inceleyecektir. Çeşitli bakteri türleri için ayrıntılı mikrobiyolojik testler gerçekleştirilecektir.
Bu makale, morfolojik ve yapısal özelliklere dayalı olarak Zr alaşım içeriğinin cam oluşturma yeteneği (GFA) üzerindeki etkisini tartışmaktadır. Ek olarak, toz kaplamalı metal cam/SUS304 kompozitinin antibakteriyel özellikleri de tartışılmıştır. Ek olarak, üretilen metalik cam sistemlerinin aşırı soğutulmuş sıvı bölgesinde soğuk püskürtme sırasında meydana gelen metalik cam tozlarının yapısal dönüşüm olasılığını araştırmak için devam eden çalışmalar yürütülmüştür. Cu50Zr30Ni20 ve Cu50Zr20Ni30 metalik cam alaşımları bu çalışmada temsili örnekler olarak kullanılmıştır.
Bu bölüm, düşük enerjili bilyalı öğütme sırasında elementel Cu, Zr ve Ni tozlarındaki morfolojik değişiklikleri sunar. Cu50Zr20Ni30 ve Cu50Zr40Ni10'dan oluşan iki farklı sistem açıklayıcı örnek olarak kullanılacaktır. MA işlemi, öğütme aşamasında elde edilen tozun metalografik karakterizasyonuyla kanıtlandığı gibi üç ayrı aşamaya ayrılabilir (Şekil 3).
Çeşitli bilyalı öğütme aşamalarından sonra elde edilen mekanik alaşım (MA) tozlarının metalografik özellikleri. 3, 12 ve 50 saat düşük enerjili bilyalı öğütme işleminden sonra elde edilen MA ve Cu50Zr40Ni10 tozlarının alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) görüntüleri, aynı MA'da Cu50Zr20Ni30 sistemi için (a), (c) ve (e)'de gösterilmiştir. Cu50Zr40Ni10 sisteminin zaman sonrasında alınan ilgili görüntüleri (b), (d) ve (f)'de gösterilmiştir.
Bilyalı öğütme sırasında, metal tozuna aktarılabilen etkin kinetik enerji, Şekil 1a'da gösterildiği gibi bir dizi parametrenin birleşiminden etkilenir. Bunlara bilyalar ve tozlar arasındaki çarpışmalar, öğütme ortamları arasında sıkışmış tozun kayma sıkışması, düşen bilyaların darbeleri, bir bilyalı değirmenin hareket eden gövdeleri arasındaki toz sürüklenmesinden kaynaklanan kayma ve aşınma ve yüklü kültürden yayılan düşen bilyalardan geçen bir şok dalgası dahildir (Şekil 1a). Элементарные порошки Cu, Zr ve Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), что привело к образованию крупных частиц порошка (çapta > 1 mm). Soğuk kaynaklama nedeniyle elementel Cu, Zr ve Ni tozları MA'nın erken bir aşamasında (3 saat) ciddi şekilde deforme oldu ve bu da büyük toz parçacıklarının (> 1 mm çapında) oluşmasına yol açtı.Bu büyük kompozit parçacıklar, şekil 3a,b'de gösterildiği gibi, alaşım elementlerinin (Cu, Zr, Ni) kalın katmanlarının oluşumu ile karakterize edilir. MA süresinin 12 saate (ara aşama) çıkarılması, bilyalı değirmenin kinetik enerjisinde bir artışa yol açtı ve bu da kompozit tozun daha küçük tozlara (200 μm'den az) ayrışmasına yol açtı, Şekil 3c'de gösterildiği gibi, şehir. Bu aşamada, uygulanan kesme kuvveti, Şekil 3c,d'de gösterildiği gibi, ince Cu, Zr, Ni ipucu katmanlarına sahip yeni bir metal yüzeyin oluşumuna yol açar. Pulların arayüzündeki katmanların öğütülmesinin bir sonucu olarak, yeni fazların oluşumu ile katı faz reaksiyonları meydana gelir.
MA işleminin doruk noktasında (50 saat sonra), pul metalografisi neredeyse fark edilmiyordu (Şekil 3e, f) ve tozun cilalı yüzeyinde ayna metalografisi gözlemlendi. Bu, MA işleminin tamamlandığı ve tek bir reaksiyon fazının yaratıldığı anlamına gelir. Şekil 3e'de (I, II, III), f, v, vi) belirtilen bölgelerin element bileşimi, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ile birlikte alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) kullanılarak belirlendi. (IV).
Tablo 2'de alaşım elementlerinin element konsantrasyonları, Şekil 3e, f'de seçilen her bölgenin toplam kütlesinin yüzdesi olarak gösterilmiştir. Bu sonuçların Tablo 1'de verilen Cu50Zr20Ni30 ve Cu50Zr40Ni10'un başlangıç ​​nominal bileşimleriyle karşılaştırılması, bu iki nihai ürünün bileşimlerinin nominal bileşimlere çok yakın olduğunu göstermektedir. Ayrıca, Şekil 3e, f'de listelenen bölgeler için bileşenlerin bağıl değerleri, her numunenin bileşiminde bir bölgeden diğerine önemli bir bozulma veya değişiklik olduğunu göstermemektedir. Bu, bir bölgeden diğerine bileşimde hiçbir değişiklik olmaması gerçeğiyle kanıtlanmaktadır. Bu, Tablo 2'de gösterildiği gibi düzgün alaşım tozlarının üretildiğini göstermektedir.
Cu50(Zr50-xNix) son ürün tozunun FE-SEM mikrografları, Şekil 4a-d'de gösterildiği gibi, 50 MA süresinden sonra elde edildi, burada x sırasıyla %10, 20, 30 ve 40 at.'dır. Bu öğütme adımından sonra, toz, Şekil 4'te gösterildiği gibi, 73 ila 126 nm çapında ultra ince parçacıklardan oluşan büyük agregaların oluşumuna yol açan van der Waals etkisi nedeniyle toplanır.
50 saatlik MA'dan sonra elde edilen Cu50(Zr50-xNix) tozlarının morfolojik özellikleri. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 sistemleri için, 50 MA'dan sonra elde edilen tozların FE-SEM görüntüleri sırasıyla (a), (b), (c) ve (d)'de gösterilmiştir.
Tozlar soğuk püskürtme besleyiciye yüklenmeden önce, önce analitik saflıkta etanolde 15 dakika sonikasyona tabi tutuldu ve sonra 150° C'de 2 saat kurutuldu. Bu adım, kaplama sürecinde sıklıkla birçok ciddi soruna neden olan aglomerasyonla başarılı bir şekilde mücadele etmek için atılmalıdır. MA işleminin tamamlanmasından sonra, alaşım tozlarının homojenliğini araştırmak için daha ileri çalışmalar yürütüldü. Şekil 5a–d'de sırasıyla 50 saat zaman M'den sonra alınan Cu50Zr30Ni20 alaşımının Cu, Zr ve Ni alaşım elementlerinin FE-SEM mikrografları ve ilgili EDS görüntüleri gösterilmektedir. Bu adımdan sonra elde edilen alaşım tozlarının homojen olduğu, Şekil 5'te gösterildiği gibi alt nanometre seviyesinin ötesinde herhangi bir bileşim dalgalanması göstermediği belirtilmelidir.
FE-SEM/Enerji Dağıtıcı X-ışını Spektroskopisi (EDS) ile 50 MA'dan sonra elde edilen MG Cu50Zr30Ni20 tozundaki elementlerin morfolojisi ve yerel dağılımı. (a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα ve (d) Ni-Kα'nın SEM ve X-ışını EDS görüntülemesi.
50 saatlik MA'dan sonra elde edilen mekanik alaşımlı Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 ve Cu50Zr20Ni30 tozlarının X-ışını kırınım desenleri sırasıyla Şekil 6a–d'de gösterilmiştir. Bu öğütme aşamasından sonra, farklı Zr konsantrasyonlarına sahip tüm numuneler, Şekil 6'da gösterilen karakteristik halo difüzyon desenlerine sahip amorf yapılara sahipti.
Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) ve Cu50Zr20Ni30 (d) tozlarının 50 saatlik MA'dan sonraki X-ışını kırınım desenleri. İstisnasız tüm numunelerde bir halo-difüzyon deseni gözlemlendi ve bu da amorf bir fazın oluşumunu gösteriyordu.
Yüksek çözünürlüklü alan emisyonlu transmisyon elektron mikroskobu (FE-HRTEM), farklı MA sürelerinde bilyalı öğütme sonucu oluşan tozların yapısal değişimlerini gözlemlemek ve yerel yapısını anlamak için kullanıldı. Cu50Zr30Ni20 ve Cu50Zr40Ni10 tozlarının öğütülmesinin erken (6 saat) ve orta (18 saat) aşamalarından sonra FE-HRTEM yöntemi ile elde edilen tozların görüntüleri sırasıyla Şekil 7a'da gösterilmiştir. 6 saatlik MA'dan sonra elde edilen tozun parlak alan görüntüsüne (BFI) göre, toz, fcc-Cu, hcp-Zr ve fcc-Ni elementlerinin açıkça tanımlanmış sınırlarına sahip büyük tanelerden oluşmaktadır ve Şekil 7a'da gösterildiği gibi bir reaksiyon fazının oluşumuna dair hiçbir belirti yoktur. Ek olarak, orta bölgeden (a) alınan ilişkili bir seçilmiş alan kırınım deseni (SADP), büyük kristalitlerin varlığını ve reaktif bir fazın yokluğunu gösteren keskin bir kırınım deseni (Şekil 7b) ortaya koymuştur.
Erken (6 saat) ve ara (18 saat) aşamalardan sonra elde edilen MA tozunun yerel yapısal özellikleri. (a) Yüksek çözünürlüklü alan emisyon transmisyon elektron mikroskobu (FE-HRTEM) ve (b) 6 saat MA işleminden sonra Cu50Zr30Ni20 tozunun karşılık gelen seçili alan difraktogramı (SADP). 18 saatlik MA'dan sonra elde edilen Cu50Zr40Ni10'un FE-HRTEM görüntüsü (c)'de gösterilmektedir.
Şekil 7c'de gösterildiği gibi, MA süresinin 18 saate çıkarılması, plastik deformasyonla birlikte ciddi kafes kusurlarına yol açtı. MA sürecinin bu ara aşamasında, tozda yığın hataları, kafes kusurları ve nokta kusurları dahil olmak üzere çeşitli kusurlar ortaya çıkar (Şekil 7). Bu kusurlar, tane sınırları boyunca büyük tanelerin 20 nm'den daha küçük alt tanelere parçalanmasına neden olur (Şekil 7c).
36 saat MA için öğütülen Cu50Z30Ni20 tozunun yerel yapısı, Şekil 8a'da gösterildiği gibi, amorf ince bir matrise gömülü ultra ince nano taneciklerin oluşumu ile karakterize edilir. EMF'nin yerel bir analizi, Şekil 8a'da gösterilen nano kümelerin işlenmemiş Cu, Zr ve Ni toz alaşımlarıyla ilişkili olduğunu gösterdi. Matristeki Cu içeriği ~%32 at. (zayıf bölge) ile ~%74 at. (zengin bölge) arasında değişti; bu da heterojen ürünlerin oluşumunu gösterir. Ek olarak, bu adımda öğütüldükten sonra elde edilen tozların karşılık gelen SADP'leri, Şekil 8b'de gösterildiği gibi, bu işlenmemiş alaşım elementleriyle ilişkili keskin noktalarla örtüşen birincil ve ikincil halo-difüzyon amorf faz halkaları gösterir.
Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 tozunun nanometre ölçeğindeki yerel yapısal özellikleri. (a) Parlak alan görüntüsü (BFI) ve buna karşılık gelen (b) 36 saatlik MA öğütülmesinden sonra elde edilen Cu50Zr30Ni20 tozunun SADP'si.
MA işleminin sonuna doğru (50 saat), Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 ve 40 at.% tozları, istisnasız olarak, Şekil 'de gösterildiği gibi, amorf fazın labirent benzeri bir morfolojisine sahiptir. Her bir kompozisyonun karşılık gelen SADS'sinde ne nokta kırınımı ne de keskin halka desenleri tespit edilemedi. Bu, işlenmemiş kristal metalin yokluğunu, bunun yerine amorf bir alaşım tozunun oluşumunu gösterir. Halo difüzyon desenleri gösteren bu ilişkili SADP'ler, aynı zamanda nihai ürün malzemesinde amorf fazların gelişimi için kanıt olarak kullanıldı.
Cu50 MS sisteminin (Zr50-xNix) son ürününün yerel yapısı. 50 saatlik MA'dan sonra elde edilen (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 ve (d) Cu50Zr10Ni40'ın FE-HRTEM ve ilişkili nanobeam kırınım desenleri (NBDP).
Diferansiyel taramalı kalorimetri kullanılarak, Cu50(Zr50-xNix) amorf sistemindeki Ni (x) içeriğine bağlı olarak cam geçiş sıcaklığının (Tg), aşırı soğutulmuş sıvı bölgesinin (ΔTx) ve kristalleşme sıcaklığının (Tx) termal kararlılığı incelenmiştir. He gaz akışında (DSC) özellikleri. 50 saat MA'dan sonra elde edilen Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 ve Cu50Zr10Ni40 amorf alaşımlarının tozlarının DSC eğrileri sırasıyla Şekil 10a, b, e'de gösterilmiştir. Amorf Cu50Zr20Ni30'un DSC eğrisi Şekil 10'da ayrı ayrı gösterilirken. Bu arada, DSC'de ~700°C'ye ısıtılmış bir Cu50Zr30Ni20 numunesi Şekil 10g'de gösterilmiştir.
50 saat MA'dan sonra elde edilen Cu50(Zr50-xNix) MG tozlarının termal kararlılığı, cam geçiş sıcaklığı (Tg), kristalleşme sıcaklığı (Tx) ve aşırı soğutulmuş sıvı bölgesi (ΔTx) ile belirlenir. 50 saat MA'dan sonra Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) ve (e) Cu50Zr10Ni40 MG alaşım tozlarının diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) tozlarının termogramları. DSC'de ~700°C'ye ısıtılmış bir Cu50Zr30Ni20 numunesinin bir X-ışını kırınım deseni (XRD) (d)'de gösterilmiştir.
Şekil 10'da gösterildiği gibi, farklı nikel konsantrasyonlarına (x) sahip tüm bileşimler için DSC eğrileri, biri endotermik, diğeri ekzotermik olmak üzere iki farklı durumu göstermektedir. İlk endotermik olay Tg'ye karşılık gelir ve ikincisi Tx ile ilişkilidir. Tg ve Tx arasında bulunan yatay açıklık alanına, alt soğutulmuş sıvı alanı (ΔTx = Tx – Tg) denir. Sonuçlar, 526°C ve 612°C'ye yerleştirilen Cu50Zr40Ni10 numunesinin (Şekil 10a) Tg ve Tx'inin, içeriği (x) %20'ye kadar, sırasıyla Şekil 10b'de gösterildiği gibi artan Ni içeriği (x) ile 482°C ve 563°C'lik düşük sıcaklık tarafına kaydırdığını göstermektedir. Sonuç olarak, Cu50Zr40Ni10'un ΔTx değeri 86°С'den (Şekil 10a) Cu50Zr30Ni20 için 81°С'ye düşer (Şekil 10b). MC Cu50Zr40Ni10 alaşımı için Tg, Tx ve ΔTx değerlerinde 447°С, 526°С ve 79°С seviyelerine düşüş de gözlendi (Şekil 10b). Bu, Ni içeriğindeki artışın MS alaşımının termal kararlılığında bir azalmaya yol açtığını gösterir. Öte yandan, MC Cu50Zr20Ni30 alaşımının Tg değeri (507 °C), MC Cu50Zr40Ni10 alaşımınınkinden daha düşüktür; ancak yine de Tx değeri buna benzer bir değer göstermektedir (612 °C). Bu nedenle, ΔTx, Şekil 10'da gösterildiği gibi daha yüksek bir değere (87°C) sahiptir.
Örnek olarak Cu50Zr20Ni30 MC alaşımını kullanan Cu50(Zr50-xNix) MC sistemi, keskin bir ekzotermik tepe aracılığıyla fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10 ve ortorombik-ZrNi kristalin fazlarına kristalleşir (Şekil 10c). Amorftan kristaline bu faz geçişi, DSC'de 700 °C'ye ısıtılan MG örneğinin (Şekil 10d) X-ışını kırınımı analiziyle doğrulandı.
Şekil 11'de mevcut çalışmada gerçekleştirilen soğuk püskürtme işlemi sırasında çekilen fotoğraflar gösterilmektedir. Bu çalışmada, 50 saat MA'dan sonra sentezlenen metal camsı toz parçacıkları (örnek olarak Cu50Zr20Ni30 kullanılarak) antibakteriyel hammadde olarak kullanılmış ve paslanmaz çelik bir levha (SUS304) soğuk püskürtme ile kaplanmıştır. Soğuk püskürtme yöntemi, termal püskürtme teknolojisi serisinde kaplama için seçilmiştir çünkü termal püskürtme teknolojisi serisinde en verimli yöntemdir ve amorf ve nanokristalin tozlar gibi metalik metastabil ısıya duyarlı malzemeler için kullanılabilir. Faz geçişlerine tabi değildir. Bu, bu yöntemin seçilmesindeki ana faktördür. Soğuk biriktirme işlemi, parçacıkların kinetik enerjisini plastik deformasyona, deformasyona ve alt tabaka veya daha önce biriktirilmiş parçacıklarla çarpışma üzerine ısıya dönüştüren yüksek hızlı parçacıklar kullanılarak gerçekleştirilir.
Arazi fotoğrafları, MG/SUS 304'ün 550°C'de beş ardışık hazırlanmasında kullanılan soğuk püskürtme prosedürünü göstermektedir.
Kaplamanın oluşumu sırasında parçacıkların kinetik enerjisi ve her bir parçacığın momentumu, plastik deformasyon (birincil parçacıklar ve matristeki parçacıklar arası etkileşimler ve parçacıkların etkileşimleri), katıların aralıklı düğümleri, parçacıklar arasındaki dönüş, deformasyon ve sınırlayıcı ısıtma gibi mekanizmalar yoluyla başka enerji biçimlerine dönüştürülmelidir 39. Ayrıca, gelen kinetik enerjinin tamamı termal enerjiye ve deformasyon enerjisine dönüştürülmezse, sonuç elastik bir çarpışma olacaktır, bu da parçacıkların çarpmadan sonra basitçe sekmesi anlamına gelir. Parçacık/alt tabaka malzemesine uygulanan darbe enerjisinin %90'ının yerel ısıya dönüştüğü kaydedilmiştir 40. Ayrıca, darbe gerilimi uygulandığında, çok kısa bir sürede parçacık/alt tabaka temas bölgesinde yüksek plastik gerinim oranları elde edilir41,42.
Plastik deformasyon genellikle bir enerji dağılımı süreci veya daha doğrusu arayüz bölgesindeki bir ısı kaynağı olarak kabul edilir. Ancak, arayüz bölgesindeki sıcaklık artışı genellikle arayüz erimesinin oluşması veya atomların karşılıklı difüzyonunun önemli ölçüde uyarılması için yeterli değildir. Yazarların bildiği hiçbir yayın, bu metalik camsı tozların özelliklerinin soğuk püskürtme teknikleri kullanıldığında oluşan toz yapışması ve çökmesi üzerindeki etkisini araştırmamıştır.
MG Cu50Zr20Ni30 alaşım tozunun BFI'si, SUS 304 alt tabakasına biriktirilen Şekil 12a'da görülebilir (Şekil 11, 12b). Şekilden görülebileceği gibi, kaplanmış tozlar, herhangi bir kristal özellik veya kafes kusuru olmaksızın hassas bir labirent yapıya sahip oldukları için orijinal amorf yapılarını korurlar. Öte yandan, görüntü, MG kaplı toz matrisinde bulunan nanopartiküller tarafından kanıtlandığı üzere yabancı bir fazın varlığını gösterir (Şekil 12a). Şekil 12c, bölge I ile ilişkili indeksli nanobeam kırınım desenini (NBDP) gösterir (Şekil 12a). Şekil 12c'de gösterildiği gibi, NBDP, amorf yapının zayıf bir halo-difüzyon desenini sergiler ve kristalin büyük kübik metastabil Zr2Ni fazına ve tetragonal bir CuO fazına karşılık gelen keskin noktalarla birlikte bulunur. CuO oluşumu, tozun açık havada süpersonik bir akışta püskürtme tabancasının nozulundan SUS 304'e hareket ederken oksitlenmesiyle açıklanabilir. Öte yandan, metal camsı tozların camsılaştırılması, 550°C'de 30 dakika boyunca soğuk püskürtme işleminden sonra büyük kübik fazların oluşumuyla sonuçlanmıştır.
(a) (b) SUS 304 alt tabakasına biriktirilen MG tozunun FE-HRTEM görüntüsü (Şekil eki). (a)'da gösterilen yuvarlak sembolün NBDP indeksi (c)'de gösterilmiştir.
Büyük kübik Zr2Ni nanopartiküllerinin oluşumu için bu potansiyel mekanizmayı test etmek için bağımsız bir deney gerçekleştirildi. Bu deneyde, tozlar 550°C'de bir atomizerden SUS 304 alt tabakasına doğru püskürtüldü; ancak tavlama etkisini belirlemek için tozlar SUS304 şeridinden mümkün olduğunca çabuk (yaklaşık 60 saniye) çıkarıldı. ). Tozun uygulamadan yaklaşık 180 saniye sonra alt tabakadan çıkarıldığı başka bir dizi deney gerçekleştirildi.
Şekil 13a,b sırasıyla 60 saniye ve 180 saniye boyunca SUS 304 alt tabakalarına biriktirilen iki püskürtülmüş malzemenin Taramalı İletim Elektron Mikroskobu (STEM) karanlık alan (DFI) görüntülerini göstermektedir. 60 saniye boyunca biriktirilen toz görüntüsü morfolojik ayrıntılardan yoksundur ve özelliksizlik göstermektedir (Şekil 13a). Bu ayrıca, Şekil 14a'da gösterilen geniş birincil ve ikincil kırınım tepe noktalarıyla gösterildiği gibi, bu tozların genel yapısının amorf olduğunu gösteren XRD tarafından da doğrulanmıştır. Bu, tozun orijinal amorf yapısını koruduğu metastabil/mezofaz çökeltilerinin olmadığını gösterir. Buna karşılık, aynı sıcaklıkta (550°C) biriktirilen ancak 180 saniye boyunca alt tabaka üzerinde bırakılan toz, Şekil 13b'deki oklarla gösterildiği gibi nano boyutlu tanelerin biriktirildiğini göstermiştir.