Udforsker grænsefladefænomener for mere holdbare og effektive nikkel-wolframlegeringer

Legering er en nøgleproces i at skabe nye materialer. Ved at kombinere metaller med ønskværdige egenskaber kan forskere fremstille legeringer med passende egenskaber. For eksempel er rustfrit stål, der er dannet ved at kombinere jern med krom, nikkel og andre elementer i mindre mængder, meget modstandsdygtigt over for korrosion.

En klasse af legeringer af særlig interesse til militære anvendelser er nikkel-wolfram-legeringer (Ni-W). Disse legeringer har høj holdbarhed, hvilket gør dem nyttige som belægninger. Da Ni og W har forskellige egenskaber, danner deres sammenføjningsgrænseflade unikke lag, hvor intermetalliske forbindelser (IMC'er) og diffusionsinducerede omkrystallisationsområder (DIR) dannes gennem processer såsom diffusion og grænsefladereaktioner.

Disse områder udviser væsentligt anderledes mekanisk, termisk og kemisk adfærd sammenlignet med resten af ​​legeringen. Derfor er forståelsen af ​​egenskaberne ved disse grænseflader et vigtigt aspekt ved design af legeringer med passende egenskaber.

Nu har forskere ledet af adjunkt Minho Oh fra Tokyo Institute of Technology og herunder professor Hee-Soo Kim, i øjeblikket ved Chosun University, Sydkorea, afsløret, hvordan forskellige faser, herunder IMC'er, dannes i en Ni-W-legering. Deres resultater offentliggjort i Journal of Alloys and Compounds kan vise sig værdifuldt til udvikling af Ni-W-legeringer, der holder længere og er mere effektive som belægninger.

"Indsigt fra undersøgelser af IMC'er og mellemlag dannet ved diffusion ved Ni/W-grænsefladen har potentialet til at forbedre effektiviteten og levetiden af ​​vigtige materialer på forskellige områder betydeligt," siger Oh.

For at undersøge Ni/W-grænsefladen lagde forskerne et W-ark mellem to Ni-plader. De opvarmede derefter prøven ved 1123 K i 112 timer for at fremme diffusion, efterfulgt af udglødning ved samme temperatur i 234,15 timer.

Efterfølgende analyserede forskerne morfologien og kemiske sammensætninger af grænsefladen ved hjælp af eksperimentelle teknikker. De analyserede koncentrationerne af Ni og W i hver fase af materialets tværsnit, såvel som kornstørrelserne af de områder, der dannes ved grænsefladen.

Derudover udviklede forskerne en diffusionsmodel, der redegjorde for diffusionshastighederne for Ni og W i både bulkmetallet og forskellige grænsefladeområder for at forklare dannelsen af ​​disse grænsefladeområder.

Deres analyse afslørede, at interdiffusionen af ​​Ni og W resulterer i et IMC-lag af Ni₄ W, som vokser tovejs mod Ni- og W-plader. W-atomerne fortsætter med at bevæge sig ind i Ni-matrixen og danner en diffusionsinduceret omkrystalliseret region (DIR) mellem Ni-matrixen og IMC-laget. Især både Ni₄ W IMC og DIR-regionen udviser en polykrystallinsk struktur.

DIR-regionen er ikke en individuel fase, men en fast opløsningsregion i Ni-fasen. Det er karakteriseret ved tilstedeværelsen af ​​aflange søjleformede korn, der letter korngrænsediffusion af W-atomer.

I DIR-regionen forårsager ubalancen i diffusionshastighederne for Ni og W, at uregelmæssigt formede hulrum kendt som Kirkendall-hulrum dannes nær grænsefladen mellem Ni og DIR i DIR-området. Grænsefladerne bestående af DIR-regionen, IMC og hulrum påvirker især materialets styrke og termiske egenskaber.

"Disse resultater fremmer ikke kun vores forståelse af DIR-regionen som følge af IMC-dannelse og -diffusion ved Ni/W-grænsefladen, men tilbyder også afgørende indsigt i fænomenet Kirkendall-tomrumsgenerering og mekanismen for defektdannelse inden for DIR-regionen af ​​metalsystemet ," siger Åh.

"Denne integrerede tilgang forbedrer vores forståelse af termodynamik og kinetik i Ni-W diffusionsparret, hvilket fremmer viden, der er afgørende for højtemperaturmaterialevidenskab."

Flere oplysninger: Minho Oh et al, Understanding Kirkendall effect in Ni(W) diffusion-induced recrystallization region, Journal of Alloys and Compounds (2024). DOI:10.1016/j.jallcom.2024.174556

Leveret af Tokyo Institute of Technology