Processing and characterization of metallic glasses prepared by centrifugal atomization

Abstract

(English) The production of metallic glasses presents an opportunity for advancing materials science and engineering applications, offering a unique combination of mechanical characteristics that traditional materials struggle to achieve. Conventional materials often exhibit a trade-off between strength and toughness, but metallic glasses, with their non-crystalline structure, offer a promising solution to this challenge.

Despite their potential, widespread adoption of metallic glasses has been impeded by challenges in the production of these materials. Achieving the necessary cooling rates for amorphization is a demanding task, as they are limited by the time-dependent process of heat transfer, which in turn limit the dimensions of the final product. However, these limitations can be overcome through the production of powder and their subsequent consolidation. In this sense, centrifugal atomization emerges as a promising technique for the production of metallic glasses. By subjecting molten metal to high centrifugal forces, this technique enables the generation of fine spherical droplets with cooling rates in the order of 102 to 105 K/s, promoting the formation of the desired non-crystalline structure.

This doctoral thesis focuses on characterizing the centrifugal atomization equipment designed at the Fundació EURECAT, with the primary objective of enhancing the cooling rates of atomized particles for metallic glass powder production. To carry out this comprehensive study, a complete theoretical and experimental research of the centrifugal atomization process is required. Theoretical efforts involve refining numerical models to understand the thermal behavior of atomized particles, significantly advancing our comprehension of cooling kinetics in this process of atomization. These models are validated through experimental methods to determine their applicability range, ensuring their utility in future investigations. On the experimental front, a systematic study is conducted on the effects of disk rotation speed, melt superheat temperature, and gas composition on the cooling rate of Al-Cu alloys and Al-based metallic glass forming alloys. Furthermore, additional techniques are explored, such as introducing an external gas source into the conventional centrifugal atomization process to investigate the impact of gas flow on the cooling rate of atomized Cu powder.

With the optimal adjustment of the atomization parameters, such as gas composition and disk speed, cooling rates of up to 105 K/s are achieved, with amorphous fractions of around 70% for particles smaller than 45 µm, and up to 50% in fractions of up to 125 µm in the Al-based metallic glass forming alloy of composition Al86Ni8Y4,5La1,5. The findings demonstrate that the centrifugal atomization process is well-suited for producing metallic glass powder tailored to meet the requirements of various industrial applications.

By conducting this study, this thesis lays the groundwork for the advancement of metallic glass powder production via centrifugal atomization. Future perspectives include further exploration in other alloy systems, such Fe-based glass forming alloys, making use of the acquired knowledge to continue improving production processes and expanding the application possibilities of these innovative materials across various industries.

(Català) La producció de vidres metàl·lics presenta una oportunitat per avançar en la ciència dels materials i en les aplicacions de l'enginyeria, oferint una combinació única de característiques mecàniques que els materials tradicionals no aconsegueixen assolir. Els materials convencionals sovint presenten un compromís entre força i duresa, però els vidres metàl·lics, amb la seva estructura no cristal·lina, ofereixen una solució prometedora a aquest repte.

Malgrat el seu potencial, l'adopció generalitzada dels vidres metàl·lics ha estat obstaculitzada per desafiaments en la producció d'aquests materials. Aconseguir les velocitats de refredament necessàries per a l'amorfització és una tasca exigent, ja que estan limitades pel procés dependent del temps de transferència de calor, la qual cosa al seu torn limita les dimensions del producte final. No obstant això, aquestes limitacions es poden superar mitjançant la producció de pols i la seva posterior consolidació. En aquest sentit, l'atomització centrífuga emergeix com una tècnica prometedora per a la producció de vidres metàl·lics. En sotmetre el metall fos a altes forces centrífugues, aquesta tècnica permet la generació de fines gotes esfèriques amb velocitats de refredament de l'ordre de 10^2 a 10^5 K/s, promovent la formació de l'estructura no cristal·lina desitjada.

Aquesta tesi doctoral se centra en la caracterització de l'equip d'atomització centrífuga dissenyat a la Fundació EURECAT, amb l'objectiu principal de millorar les velocitats de refredament de les partícules atomitzades per a la producció de pols de vidre metàl·lic. Per dur a terme aquest estudi exhaustiu, és necessari un complet estudi teòric i experimental del procés d'atomització centrífuga. Els esforços teòrics impliquen la refinació de models numèrics per comprendre el comportament tèrmic de les partícules atomitzades, avançant significativament en la nostra comprensió de la cinètica de refredament en aquest procés d'atomització. Aquests models es validen mitjançant mètodes experimentals per determinar el seu rang d'aplicabilitat, assegurant la seva utilitat en investigacions futures. En l'àmbit experimental, es realitza un estudi sistemàtic sobre els efectes de la velocitat de rotació del disc, la temperatura de sobreescalfament del metall fos i la composició del gas en la velocitat de refredament d'aliatges Al-Cu i d'aliatges formadors de vidre metàl·lic basats en Al. A més, s'exploren tècniques addicionals, com la introducció d'una font de gas extern en el procés convencional d'atomització centrífuga per investigar l'impacte del flux de gas en la velocitat de refredament de pols de Cu atomitzat.

Amb l'ajust òptim dels paràmetres d'atomització, com la composició del gas i la velocitat del disc, s'aconsegueixen velocitats de refredament de fins a 10^5 K/s, amb fraccions amorfes d'aproximadament el 70% per a partícules menors de 45 µm, i fins al 50% en fraccions de fins a 125 µm en l'aliatge formador de vidre metàl·lic basat en Al de composició Al86Ni8Y4,5La1,5. Els resultats demostren que el procés d'atomització centrífuga és adequat per a la producció de pols de vidre metàl·lic adaptada per satisfer els requisits de diverses aplicacions industrials.

En dur a terme aquest estudi, aquesta tesi estableix les bases per a l'avanç en la producció de pols de vidre metàl·lic mitjançant l'atomització centrífuga. Les perspectives futures inclouen una major exploració en altres sistemes d'aliatges, com els aliatges formadors de vidre basats en Fe, fent ús dels coneixements adquirits per continuar millorant els processos de producció i ampliant les possibilitats d'aplicació d'aquests materials innovadors en diverses indústries.

(Español) La producción de vidrios metálicos presenta una oportunidad en el avance de ciencia e ingeniería de materiales, ya que estos materiales presentan una combinación única de características mecánicas con respecto a los materiales tradicionales. Los materiales convencionales a menudo muestran un compromiso entre su resistencia y tenacidad, pero los vidrios metálicos, con su estructura no cristalina, ofrecen una solución prometedora a este obstáculo.

A pesar de su potencial, la adopción generalizada de vidrios metálicos ha sido limitada por los desafíos técnicos en la producción de estos materiales. Lograr las tasas de enfriamiento necesarias para la amorfización es una tarea exigente, ya que estas dependen del tiempo de transferencia de calor, que a su vez limita las dimensiones del producto final. Sin embargo, estos obstáculos pueden superarse mediante la producción de polvo para su posterior consolidación. En este sentido, la atomización centrífuga emerge como una técnica prometedora para la producción de vidrios metálicos. Al someter el metal fundido a altas fuerzas centrífugas, esta técnica permite la generación de gotas esféricas finas con tasas de enfriamiento del orden de 102 a 105 K/s, promoviendo la formación de la estructura no cristalina deseada.

Esta tesis doctoral se centra en caracterizar el equipo de atomización centrífuga diseñado en la Fundació EURECAT, con el objetivo principal de mejorar las tasas de enfriamiento de las partículas atomizadas para la producción de polvo de vidrio metálico. Para llevar a cabo este estudio se requiere una investigación exhaustiva tanto teórica como experimental del proceso de atomización centrífuga. En el ámbito teórico, se perfeccionan modelos numéricos con el fin de comprender el comportamiento térmico de las partículas atomizadas, lo que supone un avance significativo en la comprensión de la cinética de enfriamiento en este proceso de atomización. Estos modelos se validan con métodos experimentales para determinar su rango de aplicabilidad, garantizando así su utilidad en futuras investigaciones. A nivel experimental, se lleva a cabo un estudio sistemático de los efectos de la velocidad de rotación del disco, la temperatura de sobrecalentamiento del metal fundido y la composición del gas en la tasa de enfriamiento de las aleaciones de Al-Cu y las aleaciones en base a aluminio formadoras de vidrio metálico. Además, se exploran técnicas adicionales, como la introducción de una fuente de gas externa en el proceso convencional de atomización centrífuga, para investigar el impacto del flujo de gas en la tasa de enfriamiento del polvo de cobre atomizado.

Con el ajuste óptimo de los parámetros de atomización, como la composición del gas y la velocidad del disco, se logran alcanzar tasas de enfriamiento de hasta 10^5 K/s, con fracciones amorfas de alrededor del 70% para partículas de tamaño inferior a 45 µm, y hasta un 50% en fracciones de hasta 125 µm con una aleación de aluminio formadore de vidrio metálico de composición Al86Ni8Y4,5La1,5. Estos resultados muestran que el proceso de atomización centrífuga es adecuado para producir polvo de vidrio metálico diseñado para satisfacer las exigencias de varias aplicaciones industriales.

Al realizar este estudio exhaustivo, sienta las bases en el avance de producción de vidrio metálico mediante atomización centrífuga. Las perspectivas futuras incluyen una mayor con otros sistemas de aleaciones, como las aleaciones en base de hierro formadoras de vidrio metálico. aprovechando los conocimientos adquiridos para seguir mejorando los procesos de producción y ampliando las posibilidades de aplicación de estos materiales innovadores en la industria.