Synthesis and electrochemical properties of Ti-Si alloys prepared by mechanical alloying and heat treatment

The aim of this work was to study the synthesis and electrochemical properties of Ti 2 wt %-Si alloys prepared by mechanical alloying (MA) and heat treatment. The MA process was performed under Ar atmosphere. The structural, morphological, and compositional evolutions during the milling and subsequent heat treatment were investigated by X-ray diffraction, energy-dispersive spectroscopy, and scanning electron microscopy. The electrochemical behavior was evaluated by open circuit potential and linear sweep voltammetry measurements. The results showed that the MA process promotes the formation of a supersaturated α-Ti-Si solid solution. During heat treatment, the Si remaining in the mechanically alloyed powders and the Si from the α-Ti-Si supersaturated solid solution reacted with Ti to form Ti-Si intermetallic compounds. These compounds have a fine and homogeneous distribution in the α-Ti matrix, which cannot be achieved by conventional casting methods. Additionally, the electrochemical evaluations revealed that the mechanically alloyed and heat-treated Ti 2 wt %-Si powders have better corrosion resistance in 1.63 M H2SO4 than the pure Ti and MA Ti-Si samples. This is likely due to the particular microstructure produced during the milling and subsequent heat treatment

Fabrication and arc erosion behavior of Ag-SnO2-ZnO electrical contact materials

This study investigated the synthesis of Ag-SnO2-ZnO by powder metallurgy methods and their subsequent electrical contact behavior. The pieces of Lambda g-SnO2-ZnO were prepared by ball milling and hot pressing. The arc erosion behavior of the material was evaluated using homemade equipment. The microstructure and phase evolution of the materials were investigated through X-ray diffraction, energy-dispersive spectroscopy and scanning electron microscopy. The results showed that, although the mass loss of the Ag-SnO2-ZnO composite (9.08 mg) during the electrical contact test was higher than that of the commercial Ag-CdO (1.42 mg), its electrical conductivity remained constant (26.9 +/- 1.5% IACS). This fact would be related to the reaction of Zn2SnO4's formation on the material's surface via electric arc. This reaction would play an important role in controlling the surface segregation and subsequent loss of electrical conductivity of this type of composite, thus enabling the development of a new electrical contact material to replace the non-environmentally friendly Ag-CdO composite

ODS ferritic steels obtained from gas atomized powders through the STARS processing route: Reactive synthesis as an alternative to mechanical alloying

Oxide Dispersion Strengthened Ferritic Stainless Steels (ODS FS) are candidate materials for structural components in fusion reactors. Their ultrafine microstructure and the presence of a very stable dispersion of Y-Ti-O nanoclusters provide reasonable fracture toughness, high mechanical and creep strength, and resistance to radiation damage at the operation temperature, up to about 750 °C. An innovative route to produce ODS FS with composition Fe-14Cr-2W-0.3Ti-0.3Y2O3 (wt.%), named STARS (Surface Treatment of gas Atomized powder followed by Reactive Synthesis), is presented. This route avoids the mechanical alloying (MA) of the elemental or prealloyed powders with yttria to dissolve the yttrium in the ferritic matrix. In this study, starting powders containing Ti and Y are obtained by gas atomization at laboratory and industrial scale. Then, a metastable Cr- and Fe- rich oxide layer is formed on the surface of the powder particles. During consolidation by HIP the metastable oxide layer at Prior Particle Boundaries (PPBs) dissociates, the oxygen diffuses towards saturated solutions or metallic Ti- and Y-rich particles, and Y-Ti-O nano-oxides (mainly Y2TiO5) precipitate in the ferritic matrix. Detailed Microstructural characterization by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), X-ray Absorption Spectroscopy (XAS), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM) of powders and consolidated materials is presented and correlated with mechanical behaviour

Development of a processing route based on the hot isostatic pressing (HIP) of inconel (R) 718 gas atomised powders for the optimisation of its mechanical properties

Las superaleaciones base níquel, como el INCONEL® 718 (IN718), son ampliamente usadas en componentes de motores aeronáuticos, debido a sus excelentes propiedades, especialmente a temperaturas elevadas. El IN718 se procesa normalmente por metalurgia clásica (forja y mecanizado). Sin embargo, el consumo de energía durante el procesado es alto y la eficiencia baja, siendo el ratio material necesario versus vuelo aproximadamente 10:1. Así, es necesario un sistema alternativo que mejore la eficiencia y el consumo de energía. La ruta pulvimetalúrgica de prensado isostático en caliente (HIP) en forma neta ofrece una solución, permitiendo la eliminación o al menos una gran reducción del proceso de mecanizado, y por lo tanto, se puede reducir el ratio material necesario versus vuelo de 10:1 a aproximadamente 1.5:1, produciéndose una reducción enorme de material necesario, consumo de energía y costes. Sin embargo, el principal problema de esta ruta en las superaleaciones base níquel es conseguir las propiedades mecánicas requeridas por la industria aeronáutica. Por lo tanto, esta tesis se centra en el estudio, análisis, caracterización y optimización de las diferentes etapas de la ruta pulvimetalúrgica mediante HIP del IN718 para conseguir las propiedades microestructurales y mecánicas requeridas para este material en aeronáutica. Primero, se realizó una completa caracterización de los polvos de IN718 fabricados por distintos métodos. La calidad de la materia prima, la morfología, las propiedades físicas, la fracción de polvo y la composición química de los polvos tienen una enorme influencia en las propiedades mecánicas. Por lo tanto, todas estas propiedades fueron estudiadas para seleccionar el polvo más apropiado. Se desea tener alta fluidez y densidad de llenado, bajo contenido de carbono y oxígeno, y contenidos adecuados de boro, niobio, aluminio y titanio. Además, se investigó y desarrolló un método para reducir el contenido de oxígeno en el polvo. Este sistema consiste en una reducción en hidrógeno a temperaturas moderadas y se observó una disminución del 30 % del contenido en peso del oxígeno en todos los polvos. Después, se desarrolló un procedimiento de encapsulación para mantener iguales las propiedades del polvo después del ciclo de HIP. La composición del polvo, especialmente el contenido de oxígeno y carbono por su gran influencia en las propiedades mecánicas, no deben ser modificadas durante la etapa de encapsulación previa al HIP y por lo tanto, un nuevo sistema de evacuación fue desarrollado.A continuación, se realizaron ciclos de HIP para evaluar la influencia de diversos parámetros (tipo y fracción de polvo, temperatura, tiempo, presión, composición química y velocidad de enfriamiento) en la microestructura y las propiedades mecánicas del IN718. Esta actividad permitió determinar la ventana óptima de HIP. Además, se estudiaron varios tratamientos térmicos (HT) para precipitar las fases necesarias para alcanzar las propiedades mecánicas. Finalmente, las propiedades de los materiales HIP y HIP con HT se analizaron (microestructura, tamaño de grano, composición química, dureza, tracción, tenacidad, ruptura por tensión y fatiga). Los resultados mostraron que, usando el polvo adecuado con la debida composición química, contenido de intersticiales, morfología y fracción, y las condiciones de HIP y HT óptimas, especialmente la temperatura, velocidad de enfriamiento y tiempo del ciclo de HIP, se alcanzan los valores requeridos para todas las propiedades, excepto tenacidad. Para aumentar la ductilidad y la tenacidad, un nuevo polvo de IN718 con bajo contenido de niobio fue diseñado y atomizado por gas. El contenido de niobio fue seleccionado para tener después de los tratamientos térmicos la misma fracción en volumen de precipitados gama doble prima que tiene el material forjado. Con este nuevo polvo la ductilidad y la tenacidad aumentaron un 20 %, manteniéndose el límite elástico y la máxima resistencia a la tracción en línea con los estándares aeronáuticos más exigentes. En conclusión, esta ruta pulvimetalúrgica mediante HIP desarrollada en este trabajo es un método viable para la manufacturación de componentes de motores aeronáuticosNickel-based superalloys, such as INCONEL® 718 (IN718), are widely used in aeroengine components, due to their excellent properties, especially at elevated temperatures. IN718 is typically processed through ingot metallurgy (forging and machining). However, the energy consumption of this process is really high and the efficiency is low, so the buy to fly ratio is approximately 10:1. Therefore, it is necessary to develop an alternative manufacturing method, which allows improving the efficiency and energy consumption. Net shape hot isostatic pressing (NSHIP) powder metallurgy route offers a new solution since this would lead to the elimination or at least a high reduction in machining operations and thus, the buy to fly ratio can be decreased from 10:1 to close 1.5:1, leading to a significant reduction in material waste, energy consumption and costs. However, the main issue of HIP powder route of nickel-based superalloys is the achievement of the mechanical properties required by aeronautic industry. Therefore, present thesis is focused on the study, analysis, characterisation and optimisation of the different steps involved in the IN718 HIPping powder metallurgy route to achieve the microstructural and mechanical requirements for IN718 aeronautic material. First, a complete characterisation of IN718 powders manufactured by diverse methods was done. The quality of raw material, morphology, physical properties, fraction size and chemical composition of the powders have high influence on the mechanical properties. Therefore, all these properties were studied to select the most appropriate powder. High flowability, high tap density, low carbon and oxygen content, and adequate boron, niobium, aluminium and titanium content are desired. Besides, a method to reduce the oxygen content of the powder was also investigated and developed. The system is based on hydrogen reduction at moderate temperatures and it was observed a decrease of approximately 30 % in the oxygen content by weight in all powders. After that, an outgassing procedure to keep the as-manufactured properties of the powder after HIP step was developed. Powder composition, especially oxygen and carbon content for their strong influence on mechanical properties, cannot be modified during degassing and canning prior to HIP cycle and thus, the development of a new outgassing method was mandatory.Afterwards, the powder was HIPped at different conditions to evaluate the influence of many parameters (type of powder, fraction size, temperature, time, pressure, chemical composition and cooling rate) on the microstructure and mechanical properties of the HIPped IN718. This activity allowed determining the optimum HIP window for this processing route. Below, heat treatments (HT) were studied to precipitate the necessary phases to achieve the mechanical properties required. Finally, the properties of the HIP and HIP with HT materials were analysed (microstructure, grain size, chemical composition, hardness, tensile test, toughness, stress rupture and high cycle fatigue). After these complete analysis was made, the results showed that, using the optimum powder with the adequate chemical composition, interstitials content, morphology and fraction size, and HIP and HT conditions, specially temperature, cooling rate and time of HIP cycle, all properties achieved the required values, except toughness. In order to increase toughness and ductility, a new low niobium IN718 powder was designed and gas atomised. Niobium content was selected to have after HT the same volume fraction of gamma double prime precipitates as it is achieved in forged material. With this new powder both ductility and toughness increase by 20 %, with UTS and yield strength in line with more demanded aeronautic standards. In conclusion, the HIP powder route developed in this work is suitable to manufacture IN718 aeroengine components with the required microstructure and mechanical properties

Development of a processing route based on the hot isostatic pressing (HIP) of inconel (R) 718 gas atomised powders for the optimisation of its mechanical properties

Las superaleaciones base níquel, como el INCONEL® 718 (IN718), son ampliamente usadas en componentes de motores aeronáuticos, debido a sus excelentes propiedades, especialmente a temperaturas elevadas. El IN718 se procesa normalmente por metalurgia clásica (forja y mecanizado). Sin embargo, el consumo de energía durante el procesado es alto y la eficiencia baja, siendo el ratio material necesario versus vuelo aproximadamente 10:1. Así, es necesario un sistema alternativo que mejore la eficiencia y el consumo de energía. La ruta pulvimetalúrgica de prensado isostático en caliente (HIP) en forma neta ofrece una solución, permitiendo la eliminación o al menos una gran reducción del proceso de mecanizado, y por lo tanto, se puede reducir el ratio material necesario versus vuelo de 10:1 a aproximadamente 1.5:1, produciéndose una reducción enorme de material necesario, consumo de energía y costes. Sin embargo, el principal problema de esta ruta en las superaleaciones base níquel es conseguir las propiedades mecánicas requeridas por la industria aeronáutica. Por lo tanto, esta tesis se centra en el estudio, análisis, caracterización y optimización de las diferentes etapas de la ruta pulvimetalúrgica mediante HIP del IN718 para conseguir las propiedades microestructurales y mecánicas requeridas para este material en aeronáutica. Primero, se realizó una completa caracterización de los polvos de IN718 fabricados por distintos métodos. La calidad de la materia prima, la morfología, las propiedades físicas, la fracción de polvo y la composición química de los polvos tienen una enorme influencia en las propiedades mecánicas. Por lo tanto, todas estas propiedades fueron estudiadas para seleccionar el polvo más apropiado. Se desea tener alta fluidez y densidad de llenado, bajo contenido de carbono y oxígeno, y contenidos adecuados de boro, niobio, aluminio y titanio. Además, se investigó y desarrolló un método para reducir el contenido de oxígeno en el polvo. Este sistema consiste en una reducción en hidrógeno a temperaturas moderadas y se observó una disminución del 30 % del contenido en peso del oxígeno en todos los polvos. Después, se desarrolló un procedimiento de encapsulación para mantener iguales las propiedades del polvo después del ciclo de HIP. La composición del polvo, especialmente el contenido de oxígeno y carbono por su gran influencia en las propiedades mecánicas, no deben ser modificadas durante la etapa de encapsulación previa al HIP y por lo tanto, un nuevo sistema de evacuación fue desarrollado.A continuación, se realizaron ciclos de HIP para evaluar la influencia de diversos parámetros (tipo y fracción de polvo, temperatura, tiempo, presión, composición química y velocidad de enfriamiento) en la microestructura y las propiedades mecánicas del IN718. Esta actividad permitió determinar la ventana óptima de HIP. Además, se estudiaron varios tratamientos térmicos (HT) para precipitar las fases necesarias para alcanzar las propiedades mecánicas. Finalmente, las propiedades de los materiales HIP y HIP con HT se analizaron (microestructura, tamaño de grano, composición química, dureza, tracción, tenacidad, ruptura por tensión y fatiga). Los resultados mostraron que, usando el polvo adecuado con la debida composición química, contenido de intersticiales, morfología y fracción, y las condiciones de HIP y HT óptimas, especialmente la temperatura, velocidad de enfriamiento y tiempo del ciclo de HIP, se alcanzan los valores requeridos para todas las propiedades, excepto tenacidad. Para aumentar la ductilidad y la tenacidad, un nuevo polvo de IN718 con bajo contenido de niobio fue diseñado y atomizado por gas. El contenido de niobio fue seleccionado para tener después de los tratamientos térmicos la misma fracción en volumen de precipitados gama doble prima que tiene el material forjado. Con este nuevo polvo la ductilidad y la tenacidad aumentaron un 20 %, manteniéndose el límite elástico y la máxima resistencia a la tracción en línea con los estándares aeronáuticos más exigentes. En conclusión, esta ruta pulvimetalúrgica mediante HIP desarrollada en este trabajo es un método viable para la manufacturación de componentes de motores aeronáuticosNickel-based superalloys, such as INCONEL® 718 (IN718), are widely used in aeroengine components, due to their excellent properties, especially at elevated temperatures. IN718 is typically processed through ingot metallurgy (forging and machining). However, the energy consumption of this process is really high and the efficiency is low, so the buy to fly ratio is approximately 10:1. Therefore, it is necessary to develop an alternative manufacturing method, which allows improving the efficiency and energy consumption. Net shape hot isostatic pressing (NSHIP) powder metallurgy route offers a new solution since this would lead to the elimination or at least a high reduction in machining operations and thus, the buy to fly ratio can be decreased from 10:1 to close 1.5:1, leading to a significant reduction in material waste, energy consumption and costs. However, the main issue of HIP powder route of nickel-based superalloys is the achievement of the mechanical properties required by aeronautic industry. Therefore, present thesis is focused on the study, analysis, characterisation and optimisation of the different steps involved in the IN718 HIPping powder metallurgy route to achieve the microstructural and mechanical requirements for IN718 aeronautic material. First, a complete characterisation of IN718 powders manufactured by diverse methods was done. The quality of raw material, morphology, physical properties, fraction size and chemical composition of the powders have high influence on the mechanical properties. Therefore, all these properties were studied to select the most appropriate powder. High flowability, high tap density, low carbon and oxygen content, and adequate boron, niobium, aluminium and titanium content are desired. Besides, a method to reduce the oxygen content of the powder was also investigated and developed. The system is based on hydrogen reduction at moderate temperatures and it was observed a decrease of approximately 30 % in the oxygen content by weight in all powders. After that, an outgassing procedure to keep the as-manufactured properties of the powder after HIP step was developed. Powder composition, especially oxygen and carbon content for their strong influence on mechanical properties, cannot be modified during degassing and canning prior to HIP cycle and thus, the development of a new outgassing method was mandatory.Afterwards, the powder was HIPped at different conditions to evaluate the influence of many parameters (type of powder, fraction size, temperature, time, pressure, chemical composition and cooling rate) on the microstructure and mechanical properties of the HIPped IN718. This activity allowed determining the optimum HIP window for this processing route. Below, heat treatments (HT) were studied to precipitate the necessary phases to achieve the mechanical properties required. Finally, the properties of the HIP and HIP with HT materials were analysed (microstructure, grain size, chemical composition, hardness, tensile test, toughness, stress rupture and high cycle fatigue). After these complete analysis was made, the results showed that, using the optimum powder with the adequate chemical composition, interstitials content, morphology and fraction size, and HIP and HT conditions, specially temperature, cooling rate and time of HIP cycle, all properties achieved the required values, except toughness. In order to increase toughness and ductility, a new low niobium IN718 powder was designed and gas atomised. Niobium content was selected to have after HT the same volume fraction of gamma double prime precipitates as it is achieved in forged material. With this new powder both ductility and toughness increase by 20 %, with UTS and yield strength in line with more demanded aeronautic standards. In conclusion, the HIP powder route developed in this work is suitable to manufacture IN718 aeroengine components with the required microstructure and mechanical properties

Nueva ruta pulvimetalúrgica de producción de aceros inoxidables ferríticos de baja activación endurecidos por dispersión de óxidos (ODS-RAF) para sus aplicación en futuros reactores de fusión nuclear.

Los aceros inoxidables ferríticos endurecidos por dispersión de óxidos (Oxide Dispersion Strengthened, ODS) son excelentes candidatos como materiales estructurales en las futuras generaciones de reactores nucleares, tanto en fusión como en los reactores de fisión de generación IV, así como en los reactores para centrales eléctricas a carbón Ultra Súper Críticas (USC). Estos materiales han demostrado ser estables a altas temperaturas y poseer una elevada resistencia a creep, así como al hinchamiento y enfragilización bajo irradiación de neutrones. Pequeñas concentraciones de itrio dan lugar a la formación de la fase dispersa de óxido estable a altas temperaturas, mientras que la adición del titanio tiene como objetivo la disminución del tamaño de los óxidos dispersos. Además, se añade wolframio como endurecedor por solución sólida de la matriz hierro-cromo. Las extraordinarias propiedades mecánicas que presentan estos aceros son el resultado directo de la estabilización que ejercen en el movimiento de dislocaciones tanto la microestructura fina, que se puede obtener tras una serie de tratamientos termomecánicos, como la presencia de precipitados de óxidos nanométricos finamente dispersos en la matriz. Por lo tanto, la funcionalidad de los aceros ODS se basa en el desarrollo de una microestructura que contenga una distribución de precipitados nanométricos muy estables a alta temperatura y poco espaciados entre sí. La ruta de procesamiento convencional de los aceros ferríticos ODS consiste en el aleado mecánico, de los polvos elementales o de polvo prealeado atomizado por gas, donde la itria (Y2O3) o el Y elemental o aleado con otros elementos, se introduce como precursor para generar la fase dispersa, seguida de la encapsulación, la consolidación mediante compactación isostática en caliente (HIP) o extrusión en caliente y diferentes tratamientos termomecánicos. El objetivo final es la formación de una estructura de granos fina y de la dispersión de nanoclusters Y-Ti-O. Sin embargo, la etapa del aleado mecánico conlleva muchos inconvenientes tales como la contaminación proveniente de los tarros y de la atmósfera de molienda, con el consiguiente aumento del contenido de elementos intersticiales (O, N, C) asociados a tiempos de molienda largos y a la atmósfera de molienda, y la variabilidad en la composición entre distintos lotes. Con el objetivo de eliminar este paso, se ha desarrollado el denominado método GARS (Gas Atomization Reaction Synthesis) por el laboratorio AMES (EEUU). Este proceso es una manera simplificada de obtener polvos de acero que generarán la dispersión de óxidos en subsiguientes etapas del proceso de fabricación. En esta tesis se ha mostrado la viabilidad de una ruta nueva de procesamiento de aceros ferríticos ODS inspirada en el método GARS. Se han obtenido, mediante atomización por gas, polvos de acero inoxidable ferrítico que contienen los formadores de la fase dispersa (Fe-14Cr-2W-(0.3-0.56)Ti-(0.18-0.37)Y)). De esta manera, se ha evitado la etapa del aleado mecánico. Se ha estudiado en profundidad el proceso de atomización y la influencia de sus parámetros en las características de los polvos. Para determinar con precisión la composición de los polvos, especialmente el contenido de itrio y titanio, se ha utilizado el ICP-OES (Inductively Coupled Plasma – Optical Emission Spectrometry). La retención de estos elementos ha resultado ser altamente dependiente del nivel de vacío alcanzado en el atomizador. Se ha llevado a cabo la oxidación a bajas temperaturas del polvo atomizado (100-375 °C) para ajustar el contenido de oxígeno a valores equivalentes a la adición de Y2O3 y se han seleccionado los parámetros óptimos para alcanzar este objetivo. Se ha comprobado que la oxidación bajo estas condiciones sigue una cinética logarítimica, lo que permite que el ajuste del oxígeno se realice de forma robusta. En esta etapa tiene lugar un crecimiento de una capa ultrafina de óxido metaestable, rica sobre todo en hierro, que actúa como fuente de oxígeno para la formación de los nanoclusters Y-Ti-O durante los posteriores pasos del procesamiento. La técnica XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) ha permitido el estudio de la evolución de los óxidos superficiales durante la oxidación así como la identificación de cada fase. Además, se ha observado mediante FEG-SEM (Fied-Emission Gun Scanning Electron Microscopy) y TEM (Transmission Electron Microscopy) la microestructura superficial e interna tanto del polvo atomizado como del oxidado para identificar las diferencias entre ellos. Tras la oxidación, se han realizado ensayos de HIP a diferentes temperaturas para seleccionar la temperatura óptima de disociación de los óxidos localizados en las PPBs (Prior Particle Boundaries). Se ha comprobado que si se llevan a cabo ensayos de HIP a altas temperaturas, se forman los nanoclusters Y-Ti-O por la disociación de la capa de óxido. El oxígeno proveniente de esta capa se queda libre y difunde desde las PPBs a la matriz interna de la partícula previa (PP), donde reacciona con el itrio y el titanio. Además, se han llevado a cabo tratamientos térmicos del material tras HIP para estudiar la evolución de los precipitados tanto en las PPBs como en el interior de las PP. Se han utilizado el FEG-SEM y el TEM para evaluar las características microestructurales tras la consolidación mediante HIP y tras los tratamientos térmicos post-HIP. Asimismo, se ha empleado la técnica EBSD (Electron Backscatter Diffraction) para estudiar los cambios en el tamaño de grano de ferrita a medida que aumenta la temperatura. Además, se ha estudiado la evolución del itrio y el titanio desde la atomización hasta los tratamientos térmicos post-HIP mediante espectroscopía de absorción de rayos X en la Universidad de Latvia. Finalmente, se ha sometido el material a laminación en caliente, en el KIT (Karlsruhe Institute of Technology), para afinar el tamaño de grano y conseguir una mayor dispersión de las nanopartículas que mejore las propiedades mecánicas obtenidas en la etapa anterior de procesamiento. Se han llevado a cabo ensayos de tracción a temperaturas comprendidas entre 20-700 °C, sobre muestras mecanizadas a partir del material laminado en caliente, para estudiar la resistencia y ductilidad del material final. Estas propiedades proporcionan una valiosa perspectiva sobre la viabilidad de la aplicación de este material en diferentes tipos de reactores. Se ha demostrado la viabilidad de la obtención de aceros ferríticos ODS mediante la nueva ruta de producción propuesta, que evita el aleado mecánico.Oxide dispersion strengthened (ODS) ferritic stainless steel alloys are being considered for structural components within future generation nuclear power reactors (fusion reactors and generation IV fission reactors (GEN IV)) and Ultra Supercritical Coal-Fired Reactors (USC). These alloys have demonstrated superior high temperature strength and creep resistance, as well as high resistance to swelling, helium embrittlement and irradiation creep. Low additions of yttrium form dispersoids with high temperature stability, whereas titanium additions promote further refinement of the resulting oxide-dispersoid size. Moreove,r W is a solid-solution strengthener for the iron-chromium matrix phase. The improved mechanical properties are a direct result of a very fine grain size, which can be developed through a series of thermo mechanical treatments. This grain size is stabilized due to the formation of finely spaced nanometric oxide precipitates. All this prevents movements of dislocations. Thus, the functionality of an ODS alloy relies on developing a microstructure that contains a distribution of finely spaced and highly stable nanometric oxide particles. Conventional route of these ferritic ODS steels consists on the mechanical alloying of the elemental powders or gas atomized prealloyed powders where Y2O3 or yttrium elemental or alloyed with other elements is introduced in order to generate precursor oxide dispersion forming particulate. This is followed by encapsulation, hot isostatic pressing (HIP) or hot extrusion consolidation and different thermo-mechanical treatments for the formation of the fine grain structure and very fine Y-Ti-O nanoclusters dispersion. However, mechanical alloying step involves several drawbacks such as contamination from grinding media and jars, resulting in the increase of interstitials elements (O, N, C) associated to long milling times and grinding atmosphere, and batch to batch heterogeneities. In order to avoid this step, the so-called Gas Atomization Reaction Synthesis (GARS) method was developed at AMES Laboratory (USA). This process is a simplified way to obtain steel powders which will generate oxide dispersion during further steps of the manufacturing route. In this thesis the feasibility of a new processing route of ferritic ODS steels inspired by GARS method is shown. Ferritic stainless steel powders already containing the oxide-dispersion formers (Fe-14Cr-2W-(0.3-0.56)Ti-(0.18-0.37)Y) were produced by inert gas atomization. In this way, mechanical alloying step is avoided. The atomization process and their parameters influence on powder characteristics are deeply studied. ICP-OES (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry) is used to determine the exact composition of powders, especially titanium and yttrium contents. The retention of these elements turn out to be highly dependent on atomizer vacuum level. Low temperature oxidation of atomized steel powders (100-375 °C) was applied to adjust oxygen content to value equivalent to Y2O3 additions and the optimal parameters are selected to achieve this target. It is verified that the oxidation with these parameters follow a logarithmic rate, which enables robust adjustment of the required oxygen values. This step yielded the growth of an ultrathin metaestable Fe-rich oxide layer on the particles surfaces that acts as O reservoir for the formation of Y-Ti-O nanoclusters during subsequent stages of processing course. XPS technique (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) allows the study of the superficial oxide evolution during oxidation process and the identification of each oxide. Moreover, the superficial and internal microstructure of the as-atomized and oxidized powder was observed with FEG-SEM (Field-Emission Gun Scanning Electron Microscope) and TEM (Transmission Electron Microscopy) to identify differences between them. On the other hand, oxidation kinetics studies revealed a logarithmic rate law. After oxidation, HIPping was carried out at different temperatures to select the optimum temperature for dissociating oxides located at PPBs (Prior Particle Boundaries). If HIPping carried out at elevated temperatures, Y-Ti-O nanoclusters were formed by dissociation of the oxide layer. Oxygen from this layer become free and diffuses from PPBs to the internal prior particle (PP) matrix where react with yttrium and titanium. Heat treatment was performed to as-HIPped material in order to study the evolution of precipitates on PPBs and the interior of PP. FEG-SEM and TEM were used to evaluate microstructural features after consolidation by HIP and post-HIP thermal treatments. Besides, EBSD (Electron Backscatter Diffraction) technique was applied to study changes in the grain size with temperature. Moreover, yttrium and titanium evolution, from atomization to post-HIP heat treatments, was studied by X-Ray Absorption Spectroscopy at Latvia University. Finally, hot rolling was carried out (at KIT (Karlsruhe Institute of Technology)), to refine grain size and improve nanoparticle dispersion achieving better mechanical properties than for previous step material. Tensile tests of machined samples of hot rolled material were performed at temperatures between 20-700 °C so as to study strength and ductility of final material. These properties provide a deep insight into the feasibility of applying this material on different type of reactors. It has been shown the viability to obtain ferritic ODS steels by proposed new processing route, without mechanical alloying

Nueva ruta pulvimetalúrgica de producción de aceros inoxidables ferríticos de baja activación endurecidos por dispersión de óxidos (ODS-RAF) para sus aplicación en futuros reactores de fusión nuclear.

Los aceros inoxidables ferríticos endurecidos por dispersión de óxidos (Oxide Dispersion Strengthened, ODS) son excelentes candidatos como materiales estructurales en las futuras generaciones de reactores nucleares, tanto en fusión como en los reactores de fisión de generación IV, así como en los reactores para centrales eléctricas a carbón Ultra Súper Críticas (USC). Estos materiales han demostrado ser estables a altas temperaturas y poseer una elevada resistencia a creep, así como al hinchamiento y enfragilización bajo irradiación de neutrones. Pequeñas concentraciones de itrio dan lugar a la formación de la fase dispersa de óxido estable a altas temperaturas, mientras que la adición del titanio tiene como objetivo la disminución del tamaño de los óxidos dispersos. Además, se añade wolframio como endurecedor por solución sólida de la matriz hierro-cromo. Las extraordinarias propiedades mecánicas que presentan estos aceros son el resultado directo de la estabilización que ejercen en el movimiento de dislocaciones tanto la microestructura fina, que se puede obtener tras una serie de tratamientos termomecánicos, como la presencia de precipitados de óxidos nanométricos finamente dispersos en la matriz. Por lo tanto, la funcionalidad de los aceros ODS se basa en el desarrollo de una microestructura que contenga una distribución de precipitados nanométricos muy estables a alta temperatura y poco espaciados entre sí. La ruta de procesamiento convencional de los aceros ferríticos ODS consiste en el aleado mecánico, de los polvos elementales o de polvo prealeado atomizado por gas, donde la itria (Y2O3) o el Y elemental o aleado con otros elementos, se introduce como precursor para generar la fase dispersa, seguida de la encapsulación, la consolidación mediante compactación isostática en caliente (HIP) o extrusión en caliente y diferentes tratamientos termomecánicos. El objetivo final es la formación de una estructura de granos fina y de la dispersión de nanoclusters Y-Ti-O. Sin embargo, la etapa del aleado mecánico conlleva muchos inconvenientes tales como la contaminación proveniente de los tarros y de la atmósfera de molienda, con el consiguiente aumento del contenido de elementos intersticiales (O, N, C) asociados a tiempos de molienda largos y a la atmósfera de molienda, y la variabilidad en la composición entre distintos lotes. Con el objetivo de eliminar este paso, se ha desarrollado el denominado método GARS (Gas Atomization Reaction Synthesis) por el laboratorio AMES (EEUU). Este proceso es una manera simplificada de obtener polvos de acero que generarán la dispersión de óxidos en subsiguientes etapas del proceso de fabricación. En esta tesis se ha mostrado la viabilidad de una ruta nueva de procesamiento de aceros ferríticos ODS inspirada en el método GARS. Se han obtenido, mediante atomización por gas, polvos de acero inoxidable ferrítico que contienen los formadores de la fase dispersa (Fe-14Cr-2W-(0.3-0.56)Ti-(0.18-0.37)Y)). De esta manera, se ha evitado la etapa del aleado mecánico. Se ha estudiado en profundidad el proceso de atomización y la influencia de sus parámetros en las características de los polvos. Para determinar con precisión la composición de los polvos, especialmente el contenido de itrio y titanio, se ha utilizado el ICP-OES (Inductively Coupled Plasma – Optical Emission Spectrometry). La retención de estos elementos ha resultado ser altamente dependiente del nivel de vacío alcanzado en el atomizador. Se ha llevado a cabo la oxidación a bajas temperaturas del polvo atomizado (100-375 °C) para ajustar el contenido de oxígeno a valores equivalentes a la adición de Y2O3 y se han seleccionado los parámetros óptimos para alcanzar este objetivo. Se ha comprobado que la oxidación bajo estas condiciones sigue una cinética logarítimica, lo que permite que el ajuste del oxígeno se realice de forma robusta. En esta etapa tiene lugar un crecimiento de una capa ultrafina de óxido metaestable, rica sobre todo en hierro, que actúa como fuente de oxígeno para la formación de los nanoclusters Y-Ti-O durante los posteriores pasos del procesamiento. La técnica XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) ha permitido el estudio de la evolución de los óxidos superficiales durante la oxidación así como la identificación de cada fase. Además, se ha observado mediante FEG-SEM (Fied-Emission Gun Scanning Electron Microscopy) y TEM (Transmission Electron Microscopy) la microestructura superficial e interna tanto del polvo atomizado como del oxidado para identificar las diferencias entre ellos. Tras la oxidación, se han realizado ensayos de HIP a diferentes temperaturas para seleccionar la temperatura óptima de disociación de los óxidos localizados en las PPBs (Prior Particle Boundaries). Se ha comprobado que si se llevan a cabo ensayos de HIP a altas temperaturas, se forman los nanoclusters Y-Ti-O por la disociación de la capa de óxido. El oxígeno proveniente de esta capa se queda libre y difunde desde las PPBs a la matriz interna de la partícula previa (PP), donde reacciona con el itrio y el titanio. Además, se han llevado a cabo tratamientos térmicos del material tras HIP para estudiar la evolución de los precipitados tanto en las PPBs como en el interior de las PP. Se han utilizado el FEG-SEM y el TEM para evaluar las características microestructurales tras la consolidación mediante HIP y tras los tratamientos térmicos post-HIP. Asimismo, se ha empleado la técnica EBSD (Electron Backscatter Diffraction) para estudiar los cambios en el tamaño de grano de ferrita a medida que aumenta la temperatura. Además, se ha estudiado la evolución del itrio y el titanio desde la atomización hasta los tratamientos térmicos post-HIP mediante espectroscopía de absorción de rayos X en la Universidad de Latvia. Finalmente, se ha sometido el material a laminación en caliente, en el KIT (Karlsruhe Institute of Technology), para afinar el tamaño de grano y conseguir una mayor dispersión de las nanopartículas que mejore las propiedades mecánicas obtenidas en la etapa anterior de procesamiento. Se han llevado a cabo ensayos de tracción a temperaturas comprendidas entre 20-700 °C, sobre muestras mecanizadas a partir del material laminado en caliente, para estudiar la resistencia y ductilidad del material final. Estas propiedades proporcionan una valiosa perspectiva sobre la viabilidad de la aplicación de este material en diferentes tipos de reactores. Se ha demostrado la viabilidad de la obtención de aceros ferríticos ODS mediante la nueva ruta de producción propuesta, que evita el aleado mecánico.Oxide dispersion strengthened (ODS) ferritic stainless steel alloys are being considered for structural components within future generation nuclear power reactors (fusion reactors and generation IV fission reactors (GEN IV)) and Ultra Supercritical Coal-Fired Reactors (USC). These alloys have demonstrated superior high temperature strength and creep resistance, as well as high resistance to swelling, helium embrittlement and irradiation creep. Low additions of yttrium form dispersoids with high temperature stability, whereas titanium additions promote further refinement of the resulting oxide-dispersoid size. Moreove,r W is a solid-solution strengthener for the iron-chromium matrix phase. The improved mechanical properties are a direct result of a very fine grain size, which can be developed through a series of thermo mechanical treatments. This grain size is stabilized due to the formation of finely spaced nanometric oxide precipitates. All this prevents movements of dislocations. Thus, the functionality of an ODS alloy relies on developing a microstructure that contains a distribution of finely spaced and highly stable nanometric oxide particles. Conventional route of these ferritic ODS steels consists on the mechanical alloying of the elemental powders or gas atomized prealloyed powders where Y2O3 or yttrium elemental or alloyed with other elements is introduced in order to generate precursor oxide dispersion forming particulate. This is followed by encapsulation, hot isostatic pressing (HIP) or hot extrusion consolidation and different thermo-mechanical treatments for the formation of the fine grain structure and very fine Y-Ti-O nanoclusters dispersion. However, mechanical alloying step involves several drawbacks such as contamination from grinding media and jars, resulting in the increase of interstitials elements (O, N, C) associated to long milling times and grinding atmosphere, and batch to batch heterogeneities. In order to avoid this step, the so-called Gas Atomization Reaction Synthesis (GARS) method was developed at AMES Laboratory (USA). This process is a simplified way to obtain steel powders which will generate oxide dispersion during further steps of the manufacturing route. In this thesis the feasibility of a new processing route of ferritic ODS steels inspired by GARS method is shown. Ferritic stainless steel powders already containing the oxide-dispersion formers (Fe-14Cr-2W-(0.3-0.56)Ti-(0.18-0.37)Y) were produced by inert gas atomization. In this way, mechanical alloying step is avoided. The atomization process and their parameters influence on powder characteristics are deeply studied. ICP-OES (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry) is used to determine the exact composition of powders, especially titanium and yttrium contents. The retention of these elements turn out to be highly dependent on atomizer vacuum level. Low temperature oxidation of atomized steel powders (100-375 °C) was applied to adjust oxygen content to value equivalent to Y2O3 additions and the optimal parameters are selected to achieve this target. It is verified that the oxidation with these parameters follow a logarithmic rate, which enables robust adjustment of the required oxygen values. This step yielded the growth of an ultrathin metaestable Fe-rich oxide layer on the particles surfaces that acts as O reservoir for the formation of Y-Ti-O nanoclusters during subsequent stages of processing course. XPS technique (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) allows the study of the superficial oxide evolution during oxidation process and the identification of each oxide. Moreover, the superficial and internal microstructure of the as-atomized and oxidized powder was observed with FEG-SEM (Field-Emission Gun Scanning Electron Microscope) and TEM (Transmission Electron Microscopy) to identify differences between them. On the other hand, oxidation kinetics studies revealed a logarithmic rate law. After oxidation, HIPping was carried out at different temperatures to select the optimum temperature for dissociating oxides located at PPBs (Prior Particle Boundaries). If HIPping carried out at elevated temperatures, Y-Ti-O nanoclusters were formed by dissociation of the oxide layer. Oxygen from this layer become free and diffuses from PPBs to the internal prior particle (PP) matrix where react with yttrium and titanium. Heat treatment was performed to as-HIPped material in order to study the evolution of precipitates on PPBs and the interior of PP. FEG-SEM and TEM were used to evaluate microstructural features after consolidation by HIP and post-HIP thermal treatments. Besides, EBSD (Electron Backscatter Diffraction) technique was applied to study changes in the grain size with temperature. Moreover, yttrium and titanium evolution, from atomization to post-HIP heat treatments, was studied by X-Ray Absorption Spectroscopy at Latvia University. Finally, hot rolling was carried out (at KIT (Karlsruhe Institute of Technology)), to refine grain size and improve nanoparticle dispersion achieving better mechanical properties than for previous step material. Tensile tests of machined samples of hot rolled material were performed at temperatures between 20-700 °C so as to study strength and ductility of final material. These properties provide a deep insight into the feasibility of applying this material on different type of reactors. It has been shown the viability to obtain ferritic ODS steels by proposed new processing route, without mechanical alloying

New strategies based on liquid phase sintering for manufacturing of diamond impregnated bits

Infiltration is an extensively used technique in the production of Diamond Impregnated Bits (DIBs) commonly used for drilling in both mineral exploration and the Oil&Gas industry. This paper describes research into liquid phase sintering (LPS) as an alternative to commonly used infiltration processes. The great wear resistance and high cutting ability necessary for these tools in turn requires a high diamond concentration and a large volume fraction of wear-resistant components, such as tungsten carbide and/or eutectic tungsten carbide particles. With relatively large particles that do not contribute to densification, the LPS system researched was designed with a relatively large amount of permanent liquid phase sintering, with, rearrangement being selected as the primary densification mechanism owing to the stability of the hard phases. After testing various binder phases and evaluating the influence of the liquid phase volume fraction and presence of some sintering aids, results are promising. Bonds with better sintering behaviour were characterized, while hardness, microstructure, abrasive wear resistance, and interaction with diamonds were studied. The proposed 35NiP25Cu40WC bond processed by LPS attained hardness of 66 HRA and wear coefficient of 20 mm3/MPa, levels similar to those obtained by hot pressed components currently used in the diamond drilling tool industry (19 mm3/MPa)

Synthesis and electrochemical properties of Ti-Si alloys prepared by mechanical alloying and heat treatment

The aim of this work was to study the synthesis and electrochemical properties of Ti 2 wt %-Si alloys prepared by mechanical alloying (MA) and heat treatment. The MA process was performed under Ar atmosphere. The structural, morphological, and compositional evolutions during the milling and subsequent heat treatment were investigated by X-ray diffraction, energy-dispersive spectroscopy, and scanning electron microscopy. The electrochemical behavior was evaluated by open circuit potential and linear sweep voltammetry measurements. The results showed that the MA process promotes the formation of a supersaturated α-Ti-Si solid solution. During heat treatment, the Si remaining in the mechanically alloyed powders and the Si from the α-Ti-Si supersaturated solid solution reacted with Ti to form Ti-Si intermetallic compounds. These compounds have a fine and homogeneous distribution in the α-Ti matrix, which cannot be achieved by conventional casting methods. Additionally, the electrochemical evaluations revealed that the mechanically alloyed and heat-treated Ti 2 wt %-Si powders have better corrosion resistance in 1.63 M H2SO4 than the pure Ti and MA Ti-Si samples. This is likely due to the particular microstructure produced during the milling and subsequent heat treatment

Fabrication and arc erosion behavior of Ag-SnO2-ZnO electrical contact materials

This study investigated the synthesis of Ag-SnO2-ZnO by powder metallurgy methods and their subsequent electrical contact behavior. The pieces of Lambda g-SnO2-ZnO were prepared by ball milling and hot pressing. The arc erosion behavior of the material was evaluated using homemade equipment. The microstructure and phase evolution of the materials were investigated through X-ray diffraction, energy-dispersive spectroscopy and scanning electron microscopy. The results showed that, although the mass loss of the Ag-SnO2-ZnO composite (9.08 mg) during the electrical contact test was higher than that of the commercial Ag-CdO (1.42 mg), its electrical conductivity remained constant (26.9 +/- 1.5% IACS). This fact would be related to the reaction of Zn2SnO4's formation on the material's surface via electric arc. This reaction would play an important role in controlling the surface segregation and subsequent loss of electrical conductivity of this type of composite, thus enabling the development of a new electrical contact material to replace the non-environmentally friendly Ag-CdO composite