Structural changes during formation of laminated titanium-intermetallic composite

• Autorzy: Konieczny M.

Warianty tytułu

PL

Zmiany struktury podczas formowania kompozytu warstwowego tytan-fazy międzymetaliczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Well-bonded and almost fully dense laminated composites have been fabricated successfully by reactive sintering in vacuum using Ti and Cu foils. Since the copper layers were completely consumed by forming phases, the final microstructure consisted of alternating layers of intermetallic phases and unreacted titanium. Effects of treating time at 900 °C and the microstructural changes were studied by interrupting in steps the reaction progressing after 0.5, 1, 2, 3, 4 and 5 hours. With the liquid phase appearance a fast growing of the layers containing intermetallic phases was observed. Because the structure resulting from solidification of locally melted reaction zone contained phases rich in copper (especially TiCu4), melting consumed more copper than titanium. For this reason, the boundary between the intermetallic layers and copper migrated toward the copper side. Microstructural investigations by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectro scopy (EDX) showed that after 0.5 hour of heat treatment at 900° C intermetallic compounds: Ti2Cu, TiCu, Ti3Cu4, Ti2Cu3, TiCu4 and solid solution Ti were formed. After the completely consumption of Cu, the intermetallics layer consisted of thin layers of Ti2Cu (adjacent to eutectioid layer and titanium), thick layers of TiCu and the reaction zone consisting of TiCu4 particles in Ti3Cu4+Ti2Cu3 matrix. The particles were probably produced by stresses resulting from the growth of the intermetallic layer. Since titanium could diffuse through the Ti2Cu and TiCu layers to the reaction zone, it leaded to the growth of TiCu at the expense of TiCu4, Ti3Cu4 and Ti2Cu3. As a result, the TiCu compound became dominant phase if the treating time was longer than 1 hour. After 5 hours of treating the intermetallic layer was transformed almost wholly into TiCu, but with a thick Ti2Cu interphase layer. The formation of the TiCu phase is thermodynamically favoured over the formation of the other phases and can be understood from the steps occurred through a series of solid-liquid and solid state reactions involving TiCu4 as one of the starting phases.

PL

Używając folii tytanowej i miedzianej, wytworzono kompozyt tytan-fazy międzymetaliczne, charakteryzujący się dobrym połączeniem warstw i bardzo nieznaczną porowatością. W wyniku reakcji syntezy warstwy miedzi kompletnie przereagowały z częścią tytanu i utworzyły fazy międzymetaliczne. Badano wpływ czasu wygrzewania kompozytu w temperaturze 900° C na jego strukturę. Reakcje syntezy faz przerywano po 0,5, 1, 2, 3, 4 i 5 godzinach. Wraz z pojawieniem się fazy ciekłej zaobserwowano szybki wzrost grubości warstw faz międzymetalicznych. Ponieważ powstałe fazy były bogate w miedź (zwłaszcza faza TiCu4), reakcja pochłaniała więcej miedzi niż tytanu. Z tej przyczyny granice pomiędzy warstwami faz międzymetalicznych i miedzią migrowały w głąb warstw miedzi. Badania z użyciem mikroskopu skaningowego i mikroanalizatora rentgenowskiego wykazały, że w kompozycie wygrzewanym przez 30 minut i następnie chłodzonym razem z piecem (prędkość chłodzenia 0,16° C/s) występowały fazy: Ti2Cu, TiCu, Ti3Cu4, Ti2Cu3,TiCu4 oraz roztwór stały miedzi w tytanie [alfa]. Po całkowitym przereagowaniu miedzi warstwy faz międzymetalicznych składały się z cienkich warstw fazy Ti2Cu (przyległych do warstw eutektoidu (Ti2Cu+ ) i nieprzereagowanego tytanu), grubych warstw fazy TiCu i obszarów zawierających cząstki fazy TiCu4 w osnowie z mieszaniny faz Ti3Cu4+Ti2Cu3. Cząstki fazy TiCu4 powstały prawdopodobnie na skutek naprężeń występujących podczas wzrostu warstwy faz międzymetalicznych. Ponieważ tytan mógł dyfundować przez warstwy faz Ti2Cu oraz TiCu, powodowało to wzrost ilości fazy TiCu kosztem faz TiCu4, Ti3Cu4 oraz Ti2Cu3. W rezultacie tego TiCu stała się dominującą fazą, gdy czas wygrzewania kompozytu w temperaturze 900° C był dłuższy niż 1 godzina. Po pięciu godzinach wygrzewania warstwy faz międzymetalicznych składały się prawie wyłącznie z fazy TiCu i cienkich warstw fazy Ti2Cu (przyległych do warstw eutektoidu). Formowanie fazy TiCu jako dominującego produktu podczas reakcji pomiędzy tytanem i miedzią jest uzasadnione termodynamicznie i przebiega na drodze kolejnych etapów przemian z udziałem fazy ciekłej i w stanie stałym, a jedną z pierwszych powstających faz jest TiCu4.

Słowa kluczowe

EN

laminated composite; titanium; copper; intermetallic compounds

PL

kompozyt warstwowy; tytan; miedź; związki międzymetaliczne

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2008
• Tom: R. 8, nr 2
• Strony: 168--171
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz.

Twórcy

autor

Konieczny M.

• Politechnika Świętokrzyska, Katedra Metaloznawstwa i Technologii Materiałowych, al. 1000-lecia PP. 7, 25-314 Kielce,

Bibliografia

• [1] Lucadamo G., Barmak K., Carpenter D.T., Rickman J.M. Microstructure evolution during solid state reactions of Nb/Al multilayers, Acta Mater. 2001, 49, 2813-2826.
• [2] Tixier-Boni S., Swygenhoven H., Hardness enhancement of sputtered Ni3Al/Ni multilayers, Thin Solid Films 1999, 342, 188-193.
• [3] Hussey T.S., Kocza M.J., Smith R.W., Kalidindi S.R., Synthesis of nickel aluminides by vacuum plasma spraying and exothermic in-situ reactions, Mater. Sci. Eng. 1997, A229, 137-146.
• [4] Kobyakov V.P., Fabrication, microstructure and properties of chemical vapour deposited AIN/Mo laminated composites, J. Mater. Sci. 1997, 32, 4347-4353.
• [5] Dziadoń A., Konieczny M., Structural transformations at the Cu-Ti interface during synthesis of copper-intermetallics layered composite, Kovove Mater. 2004, 42, 42-50.
• [6] Konieczny M., Laminar copper-intermetallics composite - generation and properties, Kompozyty (Composites) 2006, 4, 52-55.
• [7] Peng L.M., Wang J.H., Li H., Zhao J.H., He L.H., Synthesis and microstructural characterisation of Ti-Al3Ti metal-intermetallic laminate (MIL) composites, Scripta Mater. 2005, 52, 243-248.
• [8] Rawers J.C., Maupin H.E., Metal-intermetallic composites formed by reaction-sintering metal foils, J. Mater. Sci. Lett. 12, 1993, 637-639.
• [9] Wang H., Han J., Du S., Northwood D.O., Effects of Ni foil thickness on the microstructure and tensile properties of reaction synthesised multilayer composites, Mater. Sci. Eng. A 2007, 445-446, 517-525.
• [10] Murray J.L., Titanium-copper binary diagram, ASM Handbook 1990, 81.
• [11] Wojewoda J., Zięba P., Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe. II Aspekty kinetyczne, Inżynieria Materiałowa 2004, 1, 24-28.
• [12] Xia Z., Liu J., Zhu S., Zhao Y., Fabrication of laminate metal-intermetallic composites by interlayer in-situ reaction, J. Mater. Sci. 1999, 34, 3731-3735.
• [13] Colinet C., Pasturel A., Buschow K.H.J., Enthalpies of formation of Ti-Cu intermetallic and amorphous phases, J. Alloy Compd. 1997,247, 15-19.