Microstructural development and stability in CNT/Ni composites processed by high pressure torsion

Abstract

In order to overcome the thermal instability in nano-crystalline (NC) and ultrafine-grained (UFG) materials due to a large grain boundary area, the use of reinforcements and alloying elements has been implemented. To this end, multiwall carbon nanotubes (MWCNT) were used in NC and UFG nickel matrix composites (Ni/CNT) processed by severe plastic deformation (SPD) by means of high pressure torsion (HPT). A set of systematic investigations were conducted, aiming to address open questions regarding the microstructural evolution during HPT, the distribution homogenization of CNT, the structural damage induced on the CNT, the strengthening mechanisms and the material performance related to the thermal stability and the tribological behavior. HPT at room temperature of Ni/CNT composites was found to significantly increase the microstructural inhomogeneity along the radial direction, resulting in the hindrance of the microstructural steady-state. An analytical model to determine the minimum strain for a homogenous distribution of CNT was developed. Results showed that CNT suffer degradation related to the accumulated strain and the variations in composition. Finally, CNT contributed to the microstructural stabilization and improved the wear behavior with respect to the reference material (SPD Ni).

Um die thermische Instabilität bei nanokristallinen (NC) und ultrafeinkörnigen (UFG) Materialien aufgrund einer großen Korngrenzenfläche zu überwinden, wurde der Einsatz von Verstärkungs- und Legierungselementen eingeführt. Zu diesem Zweck wurden mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWCNT) in NC- und UFG-Nickelmatrix-Verbundwerkstoffen (Ni/CNT) eingesetzt, die durch starke plastische Verformung (SPD) mittels Hochdrucktorsion (HPT) verarbeitet wurden. Es wurden eine Reihe systematischer Untersuchungen durchgeführt, um offene Fragen zu beantworten. Speziell wurden Mikrostrukturentwicklung, Verteilung der CNT, strukturelle Schädigung der CNT, Verstärkungsmechanismen und das Materialverhalten im Zusammenhang mit der thermischen Stabilität und dem tribologischen Verhalten untersucht. Es wurde festgestellt, dass HPT bei Raumtemperatur von Ni/CNTVerbundwerkstoffen die mikrostrukturelle Inhomogenität entlang der radialen Richtung signifikant erhöht, was zu einer Behinderung des mikrostrukturellen stationären Zustands führt. Zusätzlich wurde ein analytisches Modell zur Bestimmung der notwendigen Mindestdehnung für eine homogene Verteilung von CNT entwickelt. Zudem wurde beobachtet, dass CNT im Zusammenhang mit der akkumulierten Dehnung und den Variationen in der Zusammensetzung eine Schädigung erfahren. Schließlich trugen die CNT zur Stabilisierung gegen Kornwachstum und zu einem verbesserten Verschleißverhalten gegenüber dem Referenzmaterial (SPD Ni) bei.