Legering är en nyckelprocess för att skapa nya material. Genom att kombinera metaller med önskvärda egenskaper kan forskare producera legeringar med lämpliga egenskaper. Till exempel är rostfritt stål, bildat genom att kombinera järn med krom, nickel och andra element i mindre mängder, mycket motståndskraftigt mot korrosion.
En klass av legeringar av särskilt intresse för militära tillämpningar är nickel-volframlegeringar (Ni-W). Dessa legeringar har hög hållbarhet, vilket gör dem användbara som beläggningar. Eftersom Ni och W har olika egenskaper, bildar deras sammanfogningsgränssnitt unika lager där intermetalliska föreningar (IMC) och diffusionsinducerade omkristallisationsregioner (DIR) bildas genom processer som diffusion och gränssnittsreaktioner.
Dessa områden uppvisar signifikant olika mekaniska, termiska och kemiska beteenden jämfört med resten av legeringen. Att förstå egenskaperna hos dessa gränssnitt är därför en viktig aspekt av att designa legeringar med lämpliga egenskaper.
Nu har forskare under ledning av biträdande professor Minho Oh från Tokyo Institute of Technology och inklusive professor Hee-Soo Kim, för närvarande vid Chosun University, Sydkorea, avslöjat hur olika faser, inklusive IMCs, bildas i en Ni–W-legering. Deras resultat publicerade i Journal of Alloys and Compounds kan visa sig vara värdefulla för att utveckla Ni–W-legeringar som håller längre och är mer effektiva som beläggningar.
"Insikter från studier av IMC:er och mellanskikt som bildas av diffusion vid Ni/W-gränssnittet har potential att avsevärt förbättra effektiviteten och livslängden hos viktiga material inom olika områden", säger Oh.
För att undersöka Ni/W-gränssnittet placerade forskarna ett W-ark mellan två Ni-plattor. De värmde sedan provet vid 1123 K i 112 timmar för att uppmuntra diffusion, följt av glödgning vid samma temperatur i 234,15 timmar.
Därefter analyserade forskarna morfologin och kemiska sammansättningar av gränssnittet med hjälp av experimentella tekniker. De analyserade koncentrationerna av Ni och W i varje fas av materialets tvärsnitt, såväl som kornstorlekarna för de regioner som bildas vid gränsytan.
Dessutom utvecklade forskarna en diffusionsmodell som redogjorde för diffusionshastigheterna för Ni och W i både bulkmetallen och olika gränssnittsregioner för att förklara bildandet av dessa gränssnittsregioner.
Deras analys avslöjade att interdiffusionen av Ni och W resulterar i ett IMC-skikt av Ni4 W, som växer dubbelriktat mot Ni- och W-plattor. W-atomerna fortsätter att röra sig in i Ni-matrisen och bildar en diffusionsinducerad omkristalliserad region (DIR) mellan Ni-matrisen och IMC-skiktet. Särskilt både Ni4 W IMC och DIR-regionen uppvisar en polykristallin struktur.
DIR-regionen är inte en individuell fas utan en fast lösningsregion inom Ni-fasen. Det kännetecknas av närvaron av långsträckta kolonnformade korn som underlättar korngränsdiffusion av W-atomer.
I DIR-regionen orsakar obalansen i diffusionshastigheterna för Ni och W oregelbundet formade tomrum kända som Kirkendall-hålrum att bildas nära gränsytan mellan Ni och DIR i DIR-regionen. Anmärkningsvärt är att gränssnitten som består av DIR-regionen, IMC och tomrum påverkar materialets styrka och termiska egenskaper.
"Dessa fynd främjar inte bara vår förståelse av DIR-regionen som är ett resultat av IMC-bildning och diffusion vid Ni/W-gränssnittet utan erbjuder också avgörande insikter i fenomenet Kirkendall tomrumsgenerering och mekanismen för defektbildning inom DIR-regionen av metallsystemet ," säger Åh.
"Detta integrerade tillvägagångssätt förbättrar vår förståelse av termodynamik och kinetik i Ni–W-diffusionsparet, vilket främjar kunskap som är avgörande för materialvetenskap vid hög temperatur."
Mer information: Minho Oh et al, Understanding Kirkendall effect in Ni(W) diffusion-induced rekristallisation region, Journal of Alloys and Compounds (2024). DOI:10.1016/j.jallcom.2024.174556
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
