PROVĚŘENÍ VLIVU SMĚROVÉ KRYSTALIZACE NA VLASTNOSTI Ni 3 Al. VŠB TU Ostrava, třída 17. listopadu, Ostrava Poruba

Transkript

1 PROVĚŘENÍ VLIVU SMĚROVÉ KRYSTALIZACE NA VLASTNOSTI Ni 3 Al Jitka Malcharcziková Miroslav Kursa VŠB TU Ostrava, třída 17. listopadu, Ostrava Poruba Abstract The paper concentrates on verification of influence of composition and conditions of crystallisation on structural characteristics and physical-metallurgical properties of intermetallic compound Ni 3 Al. In the binary system " Ni-Al " an inter-metallic phase Ni 3 Al occurs in narrow range of at. % Al. Mechanical properties of Ni 3 Al depend in great extent on composition, structure and structural non-homogeneities of material. These properties are furthermore influenced by method of preparation of the given specific material, particularly at the stage of crystallisation from the melt. Several basic samples with different composition have been prepared by casting. The castings were directionally crystallised by Bridgman s method with horizontal arrangement. 1. ÚVOD V oblasti výzkumu materiálu a technologií je v průběhu posledních 15 let věnována velká a stále rostoucí pozornost intermetalickým sloučeninám, které jsou někdy také označovány jako intermetalika. Jedná se zejména o jejich potenciální aplikace v oblastech vysokých teplot a vývoj nových typů materiálů na bázi intermetalik. Pozornost těmto materiálům byla hlavně věnována při vývoji materiálů v USA, Japonsku a Německu. Jako intermetalické sloučeniny označujeme intermetalické fáze, které vznikají kombinací různých kovů a jejichž forma je velmi rozmanitá. Tyto intermetalické sloučeniny vytvářejí početnou třídu materiálů, která je velmi zajímavá z fyzikálně - metalurgického hlediska, přičemž rovněž nabývá na významu možnost jejich aplikace v náročných prostředích, zejména v oblasti zvýšených a vysokých teplot při působení oxidační atmosféry. Schulze [1.1] a Girgis [1.2] označují jako intermetalika sloučeniny kovů, jejichž krystalická struktura je jiná než struktura kovů výchozích a které mají schopnost tvořit uspořádané tuhé roztoky. Na definici intermetalických sloučenin mohou ovšem být rozdílné názory a jako příklad je možno uvést další definici podle Kratochvíla [1.3]: Ze strukturního hlediska se jedná o tuhé roztoky nebo sloučeniny, ve kterých jsou jednotlivé atomy pod teplotou T c uspořádány na dlouhou vzdálenost. Většinou existují v úzkém rozmezí koncentrací kolem jednoduchých stechiometrických složení. Intermetalická sloučenina Ni 3 Al je zajímavá zejména svou atypickou závislostí meze kluzu na teplotě, přičemž mez kluzu zaznamenává své maximun při cca 900 K jak to dokumentuje obrázek 1. Rovněž v České republice je intermetalickým materiálům věnována velká pozornost, která je však zaměřena zejména na studium struktury a vlastností těchto materiálů, přičemž velmi malé množství prací je zaměřeno na jejich přípravu a následné zpracování. Cílem příspěvku je podat informaci o jednom z nejvíce sledovaných intermetalik Ni 3 Al, z hlediska technologických otázek spojených s jeho přípravou procesem směrové krystalizace a dále je zaměřena na charakteristiku pecního agregátu na směrovou krystalizaci a na stanovení vlivu teplotního gradientu na rozhraní krystal tavenina na formování typu krystalizující stuktury Ni 3 Al

2 Závislost R p0,2 Ni 3 Al na teplotě Rp0.2 [ MPa ] Teplota [ K ] Obr.1 Závislost R p0,2 Ni 3 Al na teplotě Intermetalické sloučeniny nenalezly v minulosti aplikaci jako konstrukční materiály z důvodu jejich křehkosti. O náchylnosti intermetalické sloučeniny Ni 3 Al ke zkřehnutí může podat informaci závislost její tažnosti na obsahu Al, která je uvedena na obrázku 2. Různá intermetalika nalezla na druhé straně uplatnění jako zpevňující fáze v konvenčních slitinách. Uplatnily se zejména v materiálech pro vysoké teploty, a to z důvodu jejich vysoké tvrdosti a stability (Ni 3 Al, Ti 3 Al, TiAl). Právě u těchto intermetalických sloučenin proběhl jako u prvních intermetalik intenzivní materiálový výzkum a vývoj. Ten vedl k rozvoji poznatků o možnostech zvýšení tvařitelnosti těchto materiálů zejména bórem, což podnítilo jejich další výzkum a tento trend stále trvá a roste. Závislost tažnosti Ni 3 Al ( + 1 at.% B ) na koncentraci Al Tažnost [ % ] Koncentrace Al [ at.% ] Obr. 2 Závislost tažnosti Ni 3 Al na obsahu Al 2 PŘÍPRAVA VZORKŮ Pro přípravu experimentálních vzorků byla použita Bridgmanova metoda vertukální směrové krystalizace. Směrová krystalizace materiálu na bázi Ni 3 Al představuje efektivní - 2 -

3 možnost ovlivnění struktury a vlastností výsledného produktu tavení. Tímto procesem je možno ovlivňovat tvorbu staženin, velikost zrn a způsob růstu zrn, dále mikrosegregace po hranicích zrn, distribuci legur apod. Při směrové krystalizaci je roztavený vzorek postupně ochlazován od jednoho konce k druhému, přičemž v ochlazené části postupně narůstá vrstva utuhlého materiálu. Rychlost růstu, která je řídícím faktorem pro strukturu zatuhlé fáze, je možno ovlivnit gradientem teploty a přechlazením na hranici solidus likvidus. Teorie růstu nové fáze při směrové krystalizaci je popsána v literatuře např. u Bowera [4.6], Burdena a Hunta [4.7, 4.8] a Trivediho [4.9]. Intermetalická sloučenina Ni 3 Al s obsahem hliníku 24, 24,5 a 25 at. % byly směrově krystalizovány Bridgmenovou metodou. Vlastní proces krystalizace a měření teplotních podmínek krystalizace byl prováděn na superkhantalové odporové peci od firmy Clasic s automatickým posuvem vzorku rychlostí 10, 50 a 100 mm.h -1.Všechny sledované parametry teplotního režimu, teplot v jednotlivých částech pece, polohy vzorku v peci a rychlosti krystalzace byly zaznamenávány pomocí PC s frekvencí tří měření za minutu. Tyto hodnoty byly použity k zjištění stability pece, teplotního profilu pece a k výpočtu teplotního gradientu. Standardní profil pece vykazuje dobrou stabilitu teplotního pole i při nízké rychlosti krystalizace, tzn. při dlouhodobém provozu pece. 3 DOSAŽENÉ VÝSLEDKY 3.1 Teplotní profil pece Další měření byla zaměřena na určení teploty uvnitř korundové trubice ( T6 ), ve které je umístěn vzorek. Do této trubice byl umístěn termočlánek typu B a naměřené hodnoty odečítány z číslicového termometru CT1. Tyto teploty byly srovnány s naměřenými teplotami ze stabilních termočlánků pece. Příklad zaznamenávaných hodnot při procesu směrové krystalizace je na obrázku 3. Temperature profile TP2 Temperature [ C] Distance of thermocouple [mm] 10 s 600 s 1200 s 1800 s 2400 s 3000 s 3600 s 4200 s 4790 s T6 Obr. 3 Teplotní profil TP2. Teplota povýšce pece na jednotlivých stacionárních termočláncích a průběh teplotyv materiálu během procesu tavení a krystalizace Při srovnání teplot měřených uvnitř trubice a stabilními termočlánky bylo zjištěno, že tyto hodnoty vykazují jisté odchylky, ale v oblasti fázového přechodu krystal-tavenina, tj. v oblasti teplot 1395 C odpovídají automaticky měřeným hodnotám teplot. Na základě takto stanovených teplotních profilů pro různé režimy tavení byly stanoveny teplotní gradienty při přechodu mezi likvidem a solidem. Teplotní gradienty se pohybovaly v rozmezí 3,4 až 9,6 C - 3 -

4 na cm délky pece. Zjištěné teplotní gradienty mají podstatně nižší hodnoty, než by bylo vhodné pro ideální rovinný povrch rozhraní krystal tavenina, které se dle údajů v literatuře mají pro kovové materiály pohybovat v rozmezí C cm -1. Na základě proměření teplotních charakteristik tavícího agregátu byla navržena opatření na zvýšení teplotního gradientu v oblasti přechodu likvidus-solidus. Jedná se o systém vodního chlazení, které nahradí dosavadní systém chlazení vzduchového. 3.2 Struktura vzorků Pro vlastní krystalizační experimentální práce byly předem ve vákuové indukční peci odlity do grafitové kokily vzorky ve formě válečků o třech různých složeních - 24; 24,5 a 25 at. % Al. Odlitky pak byly směrově krystalizovány Bridgmanovou metodou s horizontálním uspořádáním při rychlosti krystalizace - 10, 50 a 100 mm/hod. Ze strukturního hlediska se u vzorků vyskytovaly převážně smíšené buněčné a dendritické struktury. Příkladem je struktura vzorku s obsahem 25 at. % Al a rychlostí krystalizace 100 mm/hod. (Obr. 4). Tady je vidět dendritická struktura, dendrity jsou tvořeny fází Ni 3 Al 5. Na vzorku s obsahem Al 24 at. %, rychlostí krystalizace 50 mm/hod (Obr. 5) je vidět vliv směrové krystalizace. Struktura je homogenní, tvořena pouze fází Ni 3 Al. Obr. 4 Mikrostruktura vzorku 127.2, Z=250x Obr. 5 Mikrostruktura vzorku 135.1, Z=250x Obr. 6 Makrostruktura vzorku 127.2, Z=4x, průměr 12 mm Obr. 7 Makrostruktura ze zkušební délky po tahové zkoušce vzorku Z=10x, průměr 4 mm - 4 -

5 Na obr. 6 je uveden příčný řez tyčí průměru 12 mm po směrové krystalizaci. Po průřezu vzorku můžeme pozorovat 2 velká zrna s vyvinutými subzrny, přesto že struktura není homogenní, jak je patrno z obr. 4. Různorodý charakter zkušebních vzorků pro tahové zkoušky v oblasti zkušební délky může výrazně ovlivňovat dosahované výsledky.pevnostních charakteristik. Na obr. 7 je uveden makrosnímek podélného řezu vzorku Ni 3 Al z oblasti zkušební délky. Je na něm zřetelně patrný konec dendritu v jinak homogenním poli jiného zrna. Toto vzájemné překrývání konců krystalizujících zrn výrazně snižuje náchylnost takto krystalizovaných materiálů ke křehkému porušení. Typický příklad závislosti napětí deformace pro stechiometrický Ni 3 Al je na obr. 8. Na obr 9 je pak uveden typický lom tohoto materiálu, který má výrazně transkrystalický charakter s prvky interkrystalického porušení. Zatěžovací diagram Napětí [MPa] Deformace [%] Obr. 8 Závislost napětí deformace pro Ni 3 Al (rychlost krystalizace 100 mm.h -1 ) Obr. 9 Vzhled lomových ploch Ni 3 Al (rychlost krystalizace 100 mm.h -1 ), REM a) charakter lomové plochy po zkoušce tahem b) typický transkrystalický lom 4. Závěr Po zjištění nízkých hodnot teplotních gradientů bylo navrženo chladící zařízení, které má upravit teplotní podmínky v peci. Následně by mělo dojít ke zvýšení teplotního gradientu na rozhraní likvidus solidus a měly by se vytvořit lepší podmínky pro proces směrové krystalizace. Dá se očekávat dosažení homogennější struktury s minimálním podílem dalších - 5 -

6 fází ze soustavy Ni-Al (hlavně NiAl a Ni 5 Al 3 ), které vedou ke zkřehnutí materiálu. Vyšší teplotní gradient vytvoří předpoklady rovněž pro růst s buňečným až s rovinným rozhraním, které nabízejí lepší podmínky přípravy dokonalejších materiálů. Literatura [1.1] SCHULZE, G. E. R. Metallphysik, 1967, Berlin. Akademie-Verlag, p [1.2] GIRGIS, K. In Physical Metallurgy. Gahn, R. W., Haasen, P. Amsterdam, p [1.3] KRATOCHVÍL, P. Slitiny na bázi aluminidu železa, základní fyzikálně metalurgické poznatky a konstrukční použití ve strojírenství. Hutnické listy, 1997, LII, s [4.6] BOWER, T., BRODY, H. and FLEMINGS, M. Trans. Metall. Soc. A. I. M. E. 206, 1966, p [4.7] BURDEN, M. H. and HUNT, J. D. Journal Cryst. Growth, 22, 1974, p. 99. [4.8] BURDEN, M. H. and HUNT, J. D. Journal Cryst. Growth, 22, 1974, p [4.9] TRIVEDI, R. J. Crystal Growth, 49, 1980, p