PŘÍSPĚVEK KE STANOVENÍ FÁZOVÉHO SLOŽENÍ INTERMETALICKÝCH SLOUČENIN NA BÁZI Ni-Al PŘIPRAVENÝCH SMĚROVOU KRYSTALIZACÍ BRIDGMANOVOU METODOU CONTRIBUTION TO DETERMINATION OF PHASE COMPOSITION OF Ni-Al BASED INTER-METALLIC COMPOUNDS PREPARED BY DIRECTIONAL CRYSTALLISATION BY BRIDGMAN S METHOD Jitka Malcharcziková a Miroslav Kursa b Josef Pešička c a Katedra neželezných kovů, rafinace a recyklace, FMMI, VŠB Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava, ČR; jitka.malcharczikova@vsb.cz b Katedra neželezných kovů, rafinace a recyklace, FMMI, VŠB Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava, ČR; miroslav.kursa@vsb.cz c Katedra fyziky materiálů,mff, UK v Praze, Ke Karlovu 5, 121 16 Praha 2, ČR; pesicka@met.mff.cuni.cz Abstrakt K ověření možností směrové krystalizace vzorků umístěných v keramických trubicích se speciální růstovou oblastí, byly použity odlitky ve tvaru válečků o chemickém složení Ni25Al až Ni22Al. Metodou směrové krystalizace lze ovlivnit strukturu a tím i vlastnosti výsledného materiálu. Vakuovým indukčním litím bylo připraveno několik základních vzorků a vybrané odlitky byly dále směrově krystalizovány Bridgmanovou metodou s vertikálním uspořádáním. Byly použity různé rychlosti směrové krystalizace pro ověření nejvhodnějších podmínek pro získání vhodné struktury. Na vzorcích byly následně provedeny tahové zkoušky s měřením akustických emisí a prostudovány lomové plochy. Pro tyto zkoušky byly použity krátké tahové tyče s kruhovým průřezem o délce 55mm s průměrem střední části tyče 5 mm. Některé vzorky vykazují pozoruhodný nárůst tažnosti. Na příčných i podélných průřezech bylo provedeno metalografické vyhodnocení. Získané struktury jsou velmi homogenní, pravidelně se zde objevují oblasti s nižším obsahem hliníku. Pro lokální určení chemického složení byla provedena liniová energiově disperzní mikroanalýza a to jednak pomocí zpětně odražených elektronů i pomocí sekundárních elektronů. Struktura je tvořena matricí Ni 3 Al a síťovím, které je tvořeno více fázemi. Pro bližší objasnění byla provedena analýza pomocí transmisní elektronové mikroskopie a to v nedeformovaném i deformovaném stavu materiálu. Fólie byly připraveny z tahových tyčí po provedených tahových zkouškách. Abstract Verification of possibility of use of method of directional crystallisation, when the sample is placed in a corundum tube with specified angle, was made with use of cylindrical castings with chemical composition Ni25Al up to Ni22Al. Method of directional crystallisation can influence structure and therefore also properties of resulting material. Several basic samples were prepared by vacuum induction casting and selected castings were afterwards subjected to directional crystallisation by Bridgman s method with vertical arrangement. Various rates 1
of directional crystallisation were applied in order to verify the most suitable conditions for obtaining suitable structure. The samples were then subjected to tensile tests with measurement of acoustic emissions and fracture surfaces were investigated. Short tensile bars with round section and length 55mm and with diameter of central part of the bar 5 mm were used for these tests. Some samples showed remarkable increase of ductility. Both cross and transversal sections were subjected to metallographic evaluation. Obtained structures are very homogenous, zones with lower contents of aluminium appear here regularly. Local determination of chemical composition was made by line energy dispersive micro-analysis with use of reflected electrons and also with use of secondary electrons. Structure is formed by the matrix Ni 3 Al and by mesh containing several phases. In order to achieve better understanding transmission electron microscopy was used for analysis of material in nondeformed and deformed state. Foils were prepared from tensile bars after completion of tensile tests. Úvod Dnes obvykle používané materiály v konstrukcích, které jsou exponovány za vysokých napětí a za vysokých teplot, jsou vícefázové slitiny, v nichž zpevňující fází je intermetalická sloučenina. Z tohoto důvodu je v současné době zaměřena pozornost na rozvoj intermetalických fází, které jsou schopny si zachovat pevnost i za velmi vysokých pracovních teplot. 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 [1]. 1. Příprava experimentálních vzorků K experimentálním účelům byly použity vzorky, které byly připraveny z předslitin a následně přetaveny metodou směrové krystalizace. Předslitiny byly připraveny ve vakuové indukční peci LEYBOLD typu IS3/1. Před vlastním tavením bylo 2krát provedeno vakuování, a to pod hodnotu 0,04 mbar za použití dvoustupňového čerpání rotační a Rootsovou pumpou. Odlitím bylo připraveno několik základních vzorků s různým obsahem hliníku ve tvaru válečků o délce 95 mm a průměru 10 mm. Tavení proběhlo v korundovém kelímku a odlití do grafitových kokil. Odlitky byly dále směrově krystalizovány Bridgmanovou metodou s vertikálním uspořádáním. Tavení vzorků 1-3 bylo provedeno na dvouzónové superkanthalové odporové peci Clasic s automatickým posuvem umístěné na VŠB-TU Ostrava. Vzorek 4 byl připraven ve spolupráci s firmou Magneton ve Vladimiru. Při tavení byla použita inertní argonová atmosféra o čistotě 4N6. Vzorek byl umístěn v korundové trubici s uzavřeným dnem. 2. Analýza strukturních a mechanických charakteristik Na těchto vzorcích byly provedeny tahové zkoušky a studována struktura v makro i mikro měřítku. Nominální složení, použité rychlosti směrové krystalizace (SK) a vybrané mechanické vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 1. Vzorek 2 nebude hodnocen, neboť při zkoumání struktury (obr.2) je patrné, že proces směrové krystalizace neproběhl řádně. Struktura není zcela vyvinutá, zrna nerostou tak dobře jako např. u vzorku 1 a 3 (obr.1 a 3) a je zde vyšší podíl pórovitosti, která ovlivnila vlastnosti materiálu, hodnota pevnosti a tažnosti neodpovídá trendu. Smluvní hodnota tažnosti (A) i pevnost vzrůstá nepatrně se snižujícím se obsahem hliníku ve slitině. Hodnoty tažnosti jsou ale výrazně ovlivněny procesem směrové krystalizace, neboť u Ni25Al je podle [2] tažnost 0,3%. 2
Tab.1 Chemické složení vzorků, použité rychlosti SK a vybrané mechanické vlastnosti Vzorek Obsah Al Rychlost SK R M A [at%] [mm/h] [MPa] [%] 1 25 100 282 13,08 2 24,5 100 327 7,13 3 24 100 308 13,39 4 22 100 392 13,90 Na obrázcích 1-8 je zachycena struktura v příčných řezech připravených vzorků a to i v mikroměřítku. Ve vzorcích 1 a 2 se vyskytuje pouze Ni 3 Al. Zrna rostou ve směru odvodu tepla (obr.1 a 2). Stejná struktura je v usměrněné části vzorku 3 (obr.3). Ve vzorku 3 se již objevuje lokálně a v malém objemu v oblasti přechodu litá a usměrněná struktura jemné síťoví tvořené tuhým roztokem (Ni), jak je vidět na obr.4. Na obr. 5 je zachycen detail tohoto síťoví v oblasti přechodu. Obr.1 Vzorek 1 25at% Al, 100mm/h, Z=50 Obr.2 Vzorek 2 24,5at% Al, 100mm/h, Z=50 Obr.3 Vzorek 3-24at% Al, 100mm/h, Z=50 Obr.4 Vzorek 3-24at%Al, 100mm/h, Z=1000, přechod mezi litou a usměrněnou strukturou 3
Obr.5 Vzorek 3-24at% Al, 100mm/h, Z=1000, detail přechodu Obr.6 Vzorek 4-22at% Al, 100mm/h, Z=50 Obr.7 Vzorek 4-22at% Al, 100mm/h, Z=200 Obr.8 Vzorek 4-22at% Al, 100mm/h, TEM 4
Vzorek 4, který má zajímavou strukturu díky svému nízkému obsahu Al, vykazoval nejvyšší hodnotu tažnosti a pevnosti z uvedených vzorků. Oblasti síťoví jsou zde již pravidelně rozmístěny po celém průřezu vzorku (obr.6). Vzorek byl podroben zkoumání pomocí transmisní elektronové mikroskopie. Při detailní analýze bylo zjištěno, že se zde vyskytuje jednak Ni 3 Al (světlá místa na obr.7), ale také tuhý roztok (Ni) tvořící jemné síťoví pravidelně rozmístěné v průřezu, přičemž morfologie je charakteristická pro dané složení a použitou rychlost směrové krystalizace. V tuhém roztoku (Ni) jsou částice převážně čtvercového průřezu, které byly identifikovány jako Ni 3 Al (obr.8). Výskyt těchto částic by mohl hrát velkou roli v otázce zpevnění tohoto typu materiálu. Závěr Na příčných průřezech uvedených vzorků bylo provedeno metalografické vyhodnocení. Získané struktury jsou velmi homogenní. U vzorků s obsahem hliníku pod 24at% se objevují oblasti s nižším obsahem hliníku. Pro stanovení fázového složení byla provedena podrobná analýza fázového složení a to pomocí světelné i transmisní elektronové mikroskopie. Struktara vzorků s obsahem Al nad 24 at.% je tvořena pouze intermetalickou fází Ni 3 Al. Zrna rostou usměrněně ve směru odvodu tepla. Struktura vzorků s podstechiometrickým obsahem hliníku je tvořena převážně fází Ni 3 Al a síťovím, které je tvořeno více fázemi. Toto síťoví se jeví na snímcích ze světelné mikroskopie jako tmavé linie. Všechny vzorky vykazují zvýšené hodnoty tažnosti od běžně uváděných v literatuře. Další práce budou zaměřeny na detailní analýzu v oblastí síťoví vyskytujícího se u vzorků s podstechiometrickým obsahem hliníku. Cílem bude stanovení zákonitostí procesu precipitace probíhající při vzniku této pozoruhodné struktury, neboť výskyt těchto částic ve struktuře by mohl hrát velkou roli v otázce zpevnění tohoto typu materiálu. LITERATURA [1] KURSA, M. Technologické a fyzikálně metalurgické charakteristiky intermetalické sloučeniny Ni 3 Al. In Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské-technické university. Ostrava, číslo1, ročník 46, Ostrava 2000. [2] CHIBA, A. et al. Ductility of undoped Ni 3 Al. In Materials Transactions JIM, 1992, roč. 33, č. 5, s. 503-508. Předložené výsledky byly získány při řešení výzkumného záměru č. MSM6198910013 s názvem Procesy přípravy a vlastnosti vysoce čistých a strukturně definovaných speciálních materiálů. 5