Facilities for production of bulk amorphous metals, and evaluation thereof using alloy Zr55Cu30Al10Ni5

Soinila, Erno

Facilities for production of bulk amorphous metals, and evaluation thereof using alloy Zr55Cu30Al10Ni5

dc.contributor	Aalto-yliopisto	fi
dc.contributor	Aalto University	en
dc.contributor.advisor	Bossuyt, Sven
dc.contributor.author	Soinila, Erno
dc.contributor.department	Koneenrakennustekniikan laitos	fi
dc.contributor.department	Department of Engineering Design and Production	en
dc.contributor.school	Insinööritieteiden korkeakoulu	fi
dc.contributor.school	School of Engineering	en
dc.contributor.supervisor	Hänninen, Hannu
dc.date.accessioned	2012-08-06T06:51:40Z
dc.date.available	2012-08-06T06:51:40Z
dc.date.defence	2012-07-13
dc.date.issued	2012
dc.description.abstract	Bulk metallic glasses (BMG) are alloys that can be solidified into a diameter larger than 1 mm without detectable crystallization. The resulting amorphous solid state satisfies the thermodynamic definition of a glass: upon heating above a glass transition temperature, they reach a metastable super-cooled liquid region before crystallizing. There are many known methods for producing amorphous metals. The material properties and the ease of manufacturing amorphous metal specimens depend on the manufacturing methods and facilities used. Studying and developing such facilities contributes both to practical applications of these materials and to advances in basic science of liquid and amorphous states of matter. In this thesis, the merits of different facilities for producing bulk metallic glass are evaluated anecdotally using literature and interviews, and then in practice by designing, building and finally using different facilities to make various metallic glass specimens with composition Zr55Cu30Al10Ni5 (at.%). The results demonstrate that the process and equipment for producing metallic glass can be significantly simplified by constructing a combined arc melter and tilt casting furnace. A novel design for such a furnace, using ultra-high vacuum fittings making it possible to tilt the entire chamber, eliminates the need to use separate furnaces for alloying and for casting, and enables a practical manner to produce metallic glass specimens of the highest purity and highest mechanical quality. Further shaping of bulk metallic glass preforms into large aspect ratio metallic glass parts was shown to be feasible, without elaborate process control, in a tensile viscous flow configuration. Induction heating specially designed preforms results in a self-stabilizing thermoplastic forming process for metallic glass wires. Magnetron sputtering was used to produce amorphous coatings of the same nominal composition as the BMG specimens, directly attached to heat sensitive polymeric materials. Adhesion was found to be controllable via sputtering process parameters.	en
dc.description.abstract	Makroskooppisiksi metallisiksi laseiksi (bulk metallic glass, BMG) kutsutaan metalliseoksia, jotka on pystytty jäähdyttämään yli millimetrin paksuisina koko alijäähtyneen alueen läpi lasisiirtymälämpötilaan asti ilman, että on päässyt tapahtumaan havaittavaa kiteytymistä. Jäähdytyksessä syntynyt amorfinen metalli täyttää lasin termodynaamisen määritelmän: kuumennettaessa yli lasisiirtymälämpötilan metastabiili alijäähtyneen sulan alue esiintyy ennen kiteytymistä. Amorfisten metalliseosten tuottamiseen tunnetaan monia menetelmiä. Tuotettujen amorfisten metallikappaleiden materiaaliominaisuudet ja valmistettavuus riippuvat käytetyistä valmistusmenetelmistä ja laitteistoista. Näiden valmistuslaitteistojen tutkiminen ja kehittäminen edistää sekä amorfisten metallien käytännön sovelluksia että edistää sulien ja amorfisten materiaalien perustieteitä. Tässä väitöstyössä tutkitaan eri valmistuslaitteistojen kykyjä ensin kirjallisuutta ja haastatteluja käyttäen, seuraavaksi käytännössä laitesuunnittelun ja laiterakennuksen keinoin ja lopuksi koostumuksen Zr55Cu30Al10Ni5 (at.%) amorfisia koekappaleita valmistaen eri valmistuslaitteistoja käyttäen. Tutkimustyön tulokset osoittavat, että metallisten lasien valmistusprosesseja ja valmistuslaitteistoja voidaan merkittävästi yksinkertaistaa rakentamalla yhdistetty valokaarisulatus- ja kallistusvalulaitteisto. Uudenlainen valmistuslaitteisto, jossa käytetään erittäin korkean tyhjötiiveyden edellyttämiä irto-osia mahdollistaa koko tyhjökammion kallistamisen, poistaen tarpeen käyttää kahta erillistä laitetta, yhtä seossulatukseen ja toista valamiseen. Tämä mahdollistaa korkeimman puhtauden ja parhaan mekaanisen laadun metallisten lasikappaleiden valmistuksen. Metallisesta lasista valmistettujen aihioiden jatkomuovaus suuren sivusuhteen metallisiksi lasiosiksi näytettiin toteuttamiskelpoiseksi, ilman erittäin tarkkaa prosessinhallintaa käyttäen viskoosia virtausta vetojännityksen alaisena. Erityisen muotoisten metallisten lasi-aihioiden induktiokuumennus vetojännityksen alaisena synyttää itsevakauttavan lämpömuovausprosessin metalliselle lasilangalle. Magnetronisputterointia käytettiin samaa nimellistä BMG koostumusta olevien amorfisten pinnoitteiden kiinnittämiseen lämpöherkille polymeerisubstraateille. Amorfinen pinnoite saatiin kiinnitettyä polymeerisubstraatille sopivia sputterointiparametrejä käyttäen.	fi
dc.format.extent	148
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.identifier.isbn	978-952-60-4691-4 (electronic)
dc.identifier.issn	1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn	1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn	1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri	https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/4425
dc.identifier.urn	URN:ISBN:978-952-60-4691-4
dc.language.iso	en	en
dc.opn	Van Steenberge, Nele, Dr., ArcelorMittal Global R&D Gent OCAS NV, Belgium
dc.opn	Hirvonen, Juha-Pekka, Prof., DG JRC JRC, Institute for Energy and Transport, Petten, Netherlands
dc.publisher	Aalto University	en
dc.publisher	Aalto-yliopisto	fi
dc.relation.haspart	[Publication 1]: Erno Soinila, Parmanand Sharma, Markku Heino, Kaj Pischow, Akihisa Inoue, Hannu Hänninen. Bulk metallic glass coating of polymer substrates. Journal of Physics: Conference Series, 144, 012051, 1-4, doi:10.1088/1742-6596/144/1/012051, 2009.
dc.relation.haspart	[Publication 2]: E. Soinila, K. Antin, S. Bossuyt, H. Hänninen. Bulk metallic glass tube casting. Journal of Alloys and Compounds, 509S, 210-213, doi:10.1016/j.jallcom.2010.12.145, 2010.
dc.relation.haspart	[Publication 3]: Sven Bossuyt, Erno Soinila, Henri Penttinen, Ville Pulkki, Hannu Hänninen. Thermoplastic wire drawing from bulk metallic glass. 2010 MRS Fall Meeting, 1-6, MRSF10-1300-U08-04.R1, 2010.
dc.relation.haspart	[Publication 4]: E. Soinila, T. Pihlajamäki, S. Bossuyt, H. Hänninen. A combined arc-melting and tilt-casting furnace for the manufacture of high-purity bulk metallic glass materials. Review of Scientific Instruments, 82, 1-4, doi:10.1063/1.3606444, 2011.
dc.relation.haspart	[Publication 5]: E. Soinila, S. Bossuyt, H. Hänninen. Steady-state tensile viscous flow forming of bulk metallic glass. Journal of Alloys and Compounds, Available online (doi:10.1016/j.jallcom.2012.01.153) from 7th of February 2012.
dc.relation.ispartofseries	Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS	en
dc.relation.ispartofseries	88/2012
dc.rev	Van Steenberge, Nele, Dr., ArcelorMittal Global R&D Gent OCAS NV, Belgium
dc.rev	Keryvin, Vincent, Prof., Université de Bretagne Sud, France
dc.subject.keyword	amorphous metal	en
dc.subject.keyword	bulk metallic glass	en
dc.subject.keyword	arc melting	en
dc.subject.keyword	physical vapor deposition	en
dc.subject.keyword	induction heating	en
dc.subject.keyword	amorfinen metalli	fi
dc.subject.keyword	metallinen lasi	fi
dc.subject.keyword	valokaarisulatus	fi
dc.subject.keyword	induktiokuumennus	fi
dc.subject.keyword	magnetronisputterointi	fi
dc.subject.other	Materials science	en
dc.subject.other	Mechanical engineering	en
dc.title	Facilities for production of bulk amorphous metals, and evaluation thereof using alloy Zr55Cu30Al10Ni5	en
dc.title	Amorfisten metallien valmistuslaitteistot ja niiden arviointi seoksen Zr55Cu30Al10Ni5 avulla	fi
dc.type	G5 Artikkeliväitöskirja	fi
dc.type.dcmitype	text	en
dc.type.ontasot	Doctoral dissertation (article-based)	en
dc.type.ontasot	Väitöskirja (artikkeli)	fi
local.aalto.digiauth	ask
local.aalto.digifolder	Aalto_64660