Wpływ temperatury, dodatków stopowych i modyfikacji powierzchni na zwilżalność, strukturę granic rozdziału i wytrzymałość połączenia w układzie AI/Al203

Sobczak, N.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Wpływ temperatury, dodatków stopowych i modyfikacji powierzchni na zwilżalność, strukturę granic rozdziału i wytrzymałość połączenia w układzie AI/Al203

Autorzy

Sobczak N.

Identyfikatory

Warianty tytułu

The effect of temperature, alloying additions and substrate surface modification on the wettability, interface structure and bonding in the Al/Al203 system

Języki publikacji

Abstrakty

W oparciu o dane literaturowe i badania własne przedstawiono analizę wpływu różnych czynników na specyfikę oddziaływania pomiędzy ciekłym aluminium i jego tlenkiem. Stwierdzono, że układ Al/AI, O, jest zwilżalny wtedy, kiedy na powierzchni kropli Al nie powstaje gruba i zwarta powieka tlenkowa. Zwilżalność ma charakter chemiczny, związany z rozpuszczaniem się tlenku glinu w ciekłym Al i powstawaniem kompleksów Al-0, których adsorpcja na granicach rozdziału przyczynia się do zmniejszenia energii międzyfazowej w układzie Al/AI2O3. Występowanie roztworowo-wydzieleniowego mechanizmu wraz z epitaksjalnym wzrostem drobnych wydzieleń Al203 na powierzchni podłoża z tlenku glinu przyczynia się do występowania zjawiska wtórnego zbrojenia granicy rozdziału i wzrostu wytrzymałości połączenia AllAl2O3. Dodatki stopowe Cu, Fe, Si, Sn i Ti nie zmieniają charakteru oddziaływania w układzie i nie powodują powstawania nowych faz stałych (produktów reakcji). Na wytrzymałość połączenia mają istotny wpływ czynniki metalurgiczne, tj. l) w stopach Al-Si zarodkowanie na powierzchni podłoża wydzieleń Si jednocześnie z wydzieleniami Alf) ^powoduje największy wzrost wytrzymałości połączenia; 2) dodatki Ti zmniejszają reaktywność układu, ponieważ powodują zmniejszenie rozpuszczalności podłoża: w połączeniu ze znacznym skurczem stopów AI-Ti podczas krzepnięcia oraz zjawiskiem usuwania z granicy rozdziału zbrojących wydzieleń Al3Ti, na skutek reakcji perytektycznej generowana jest niekorzystna struktura granicy rozdziału połączeń Al-Ti/AI203, charakteryzująca się pęknięciami i porowatością skurczową, 3) drastyczne osłabienie połączenia Al-Sn/Al2O3 jest związane ze zjawiskiem segregacji cyny i jej gromadzenia na granicach rozdziału wraz z tendencją do powstawania porowatości skurczowej podczas krzepnięcia stopu Al-Sn. Na przykładzie układu AlTi6/Al2O3 pokazano, że negatywny wpływ zjawisk metalurgicznych może być wyeliminowany poprzez zastosowanie metod inżynierii powierzchni, np. pokrywając powierzchnie tlenku glinu cienką warstwą grafitu można wygenerować korzystną strukturę gradientową typu Al(Ti) +Al3Ti/Al+TiC/Al203, która zapewnia największą wytrzymałość połączenia aluminium z tlenkiem glinu.

The paper discusses the literature data and the author's own results on factors affecting interaction between molten aluminum and aluminum oxide. It has been stated that under conditions preventing the formation of thick and continuous oxide film on aluminum drop, the wettability in the Al/Al2O3 system takes place at low temperature. The wettability is caused by chemical interaction due to the formation of Al-0 clusters and their adsorption at the interfaces. The dissolution-precipitation mechanism was found to be responsible for the nucleation of fine alumina crystals at the alumina substrate leading to the effect of secondary roughening and strengthening of metal/ceramic interface. Alloying aluminum with Cu, Fe, Si, Sn and Ti does not change the character of interaction since no new bulk phases are formed. Bonding of Al/Al2O3, couples was found to be influenced by both wetting properties of the system and some metallurgical phenomena such as: l) in the Al-Si alloys the nucleation of the Si crystals at the interface contributes to significant strengthening effect: 2) in the AlTi6/Al2O3 couple three negative effects contribute to the formation of unfavorable interface structure and reduced interfacial strength; they are a) the decreased reactivity in the system due to reduced dissolution of alumina in AlTi6 alloy, b) the formation of interface structural discontinuities due to solidification shrinkage and thermal stresses, and c) the removal of Al3Ti reinforcing precipitates from the interface due to peritectic reaction; 3) in the Al-Sn alloy a strong segregation of Sn at the interface accornpanied by interfacial shrinkage porosity significant weakening of Al-Sn/ Al2O3 couples results in significant weakening of Al-Sn/Al2O3 couples. Taking us an example the AlTi6/Al2O3 system it has been demonstrated that applying the methods of surface engineering can eliminate negative effects of metallurgical phenomena, e.g. the use of graphite coating on alumina substrates allows to improve both wetting and bonding properties through the creation of favourable graded interface structure Al(Ti) +Al3Ti/Al+ TiC/Al2O3.

Słowa kluczowe

zwilżalność reaktywność praca adhezji granice rozdziału układ AI/Al203

wettability reactivity work of adhesion interface Al/Al203 system

Wydawca

Instytut Odlewnictwa

Czasopismo

Odlewnictwo - Nauka i Praktyka

Rocznik

2004

Tom

R. 6, nr 4

Strony

3--21

Opis fizyczny

Bibliogr. 64 poz., fot., rys., wykr.

Twórcy

autor

Sobczak N.

Instytut Odlewnictwa, Kraków

Bibliografia

1. Young T.: Phil. Trans. Roy. Soc. Lond., 1805, 94, p. 65.
2. Duprć A: Theorie Mćcanique de la Chaleur, Chap ter IX, Actions moleculaires (suite), Gauthier, 1869.
3. Naidich Ju. V: in Progress in Surface and Membrane Science, D.A Cadenhead and J.F. Danielli (Eds.), Academic Press, NY, 1981, p. 353.
4. Eustathopoulos N., Nicholas M.G., Drevet B.: Wettability at High Temperatures, Pergamon, 1999.
5. Sobczak N.: Prace Instytutu Odlewnictwa, Kraków 1994, XLIV, 4, p. 221.
6. Sobczak N.: in Interjacial Science in Ceramie Joining, A Bellosi, T. Kosmac, and AP. Tomsia (Eds.), NATO ASI Series, High Technology, 1998, vol. 58, Kluwer AcademicPublishers, pp. 27-42.
7. Sobczak N.:, Kompozyty, 2003, 3 [7], p. 301.
8. Aksay LA, Hoge C.E, Pask J.A.: J. Phys. Chern., 1974,78, p.1178.
9. Eustathopoulos N., Drevet B.:, MRS Symp. Proc., 1993, vol. 314, p. 15.
10. Eustathopoulos N., Drevet B.: J. Phys. III France, 1994, 4, p.1865.
11. Eustathopoulos N., Drevet B.: Mater. Sci. Eng., 1998, A249, p.176.
12. Laurent V, Chatain D., Chatillon M., Eustathopoulos N.: Acta MetalI., 1988, 36, p. 1797.
13. Chatain D., Rivolet 1., Eusthathopoulos N., J. Chim. Phys., 1986, 83, p. 561.
14. Carnahan R. D., Johnson T. L., Li C.H., J. Amer. Ceramic Soc. 1958,41, p. 343.
15. Rhee S.K: J. Amer. Ceram. Sci., 1972, 55, p. 300.
16. Naidich Y.v., Chubashov Y.N., Ishchuk N.F., Krasovskii v.P.: Poroshkovaya Metallurgia, 1983,6, p. 67.
17. Landry K, Kalogeropoulou S., Eustathopoulos N.: Mater. Sci. Eng., 1998, A254 [1-2], p. 99.
18. Weirauch D.A., in Ceramie Microsctuctures'So: Role o! lnterfaces, Materials Science Research, J. A Pask ,AG. Evans (Eds.), vol. 21, 1987, pp. 329-339.
19. Saiz B., Tomsia AP., Cannon R.M., in Ceramie Microstructure: Control at the Atomic Level, AP. Tomsia, A. Glaeser (Eds.), Plenum Press, New York 1998, pp. 65-82.
20. Ownby P.D., Li KWK., Weirauch D.A., Jr.: J. Amer. Ceram. Soc., 1991,74 [6], p. 1275.
21. Dawihl W, Klinger E.: Ber. Dtsch. Keram, Ges., 1969, 46, p.12.
22. Chatillion c., Coudurier L., Eustathopoulos N., Mat. Sci. Forum, 1977,251-254, p. 701.
23. Champion J.A., Keene B.J., Si!wood J.M.: J. Mater, Sci., 1969, 4, p..39.
24. Jung W., Song H., Park S. H. i., Kim D. J. : MetalI. Trans., 1996, 27B, p. 51.
25. John H., Hausner H.: J. Mat. Sci. Lett., 1986,5, p. 549.
26. Kaplan WD., in Interfacial Science for Ceramie Joining, A. Bellosi, T. Kosmak and AP. Tomsia (Eds.) NATO ASI Series, High Technology, K1uwer Academic Publishers, 1998, vol. 58, pp. 153-160.
27. Levi G., Kaplan W.D.: Acta Mater., 2002, 50, p. 75.
28. Brennan J.J., Pask J.A: J. Amer. Ceram. Soc., 1968, 51, p.569 .
29. Zhou X.B., De Hosson J.Th.M.: J .. Mater. Sci., 1995,30, p.3571.
30. Wang D-J., Wu S-T.: Acta Metali. Mater., 1994, vol. 42, 12, p.4029.
31. De Joughe v., Chatain D., Rivollet L, Eustathopoulos N.: J. Chim. Phys., 1990, 87, p. 1623.
32. Wolf S. M., Levitt AP., Brown J.: Chem. Eng. Progr., 1966, 62, p. 74.
33. Livey D.T., Murray P.: Proc. 2nd Plansee Semin., MetaUwerk Plansee, Reutte, 1955, pp. 387-404.
34. Kohler W: Aluminium, 1975,51, p. 443.
35. Ip S.W, Kucharski M., Toguri J.M.: J. Mater.Sci. Lett., 1993, 12, p. 1699.
36. Li J.G., Chatain D., Coudurier L., Eustathopoulos N.: J. Mat. Sci. Lett., 1988, 7, p. 961.
37. Dawihl W, Federmann H.: Aluminium: 1974,50, 9, p. 450.
38. Mori N., Sorano H., Kitahara H., Ogi K., Matsuda K.: 1.Japan. Inst. Metails 1983,47, p. 1132.
39. Yoahui L., Zhenming H., Sirong Y., Guitan D., Qingchun L.: J. Mater. Sci. Lett.: 1991.
40. Lang G.: Aluminium, 1974, 49, p. 231; 50, p.731.
41. Sobczak N., Asthana R., Ksiazek M., Radziwill w., Mikulowski B.: MetalI. Mater. Trans., 2004, 35A [3], p. 911.
42. Sobczak N., Asthana R: accepted for publication in Trans. Am. Ceram. Soc., 2004 .
43. Pamies A, Garcia-Cordovilla C, Louis E.: Scripta Metall., 1984, 18, p. 869.
44. Goumiri L., Joud J.C: Acta MetalI., 1982, 30, p. 1397.
45. Garcia-Cordovilla C, Louis E., Pamies A: J. Mater. Sci., 1986, 21, p. 2787.
46. Valentine T.M.: Mater. Sci. Eng., 1977, 30, p. 211.
47. Keene BJ.: Int. Mater. Rev.: 1993,38 [4], p. 157.
48. Lijun Z., Jinbo w., Jiting Q., Qui N., Peixiang Q.: in Interfaces in Metal-Ceramic Composites, RY. Lin et al. (Eds.), The Minerals, Metals & Materials Society (TMS), Warren dale PA, 1989, p. 213.
49. Champion AR, Kruger W,H., Hartman H.S., Dhingra AK: inProc. Second Int. Conf. Compos. Materials (ICCM-II), B.R Norton et al. (Eds.) TMS/AIMEI978, p. 883.
50. Y. Bolkhovityanov: in Epitaxial Crystal Growth, E. Lendvay, (Ed.), Trans Tech Publications, Switzerland 1991, pp. 37-53
51. Asthana R: Solidification Processing of Reinforced Metals, Trans Tech Publications LTD, Switzerland 1998.
52. Sobczak N.,·Ksiazek M., RadziwiII w., Stobierski L., Mikulowski B.: Trans. JWRI, 2001, 30, p. 125.
53. Mondolfo L.F.: Aluminium Alloys: Structure and Properties, Butter & Co, London-Boston 1976.
54. Kutsova Y.Z.:, in Advanced Light Alloys and Composites, R Ciach (Ed.), NATO ASI series, 1998, vol. 59, no 3, pp. 29-34.
55. Lebeau T., Srom-Olsen J.O., Gruzelski J.E., Drew RA: Materials Characterization, 1995, 35, p. 11.
56. Sung Yun-Mo, Yon Kyung-Yol, Dunn S.A, Koutski J.A, J. Mater. Sci, 1994, 29, p. 5583.
57. Loehman RE., Ewsuk K.G., Tornsia AP.: J. Am. Ceram. Soc., 1996,79 [1], p. 27.
58. Odegard C and Bronson A: JOM: 1997, 6, p. 52.
59. Sobczak N., Sobierski L., Książek M., Radziwill w., Nowak R, Kudyba A: Ceramika-Polish Ceramie BullIetin, 2003, 80, s. 831.
60. Wei-Tsu Tseng: J. Appl. Phys.: 1996, 79 [97], p. 3521.
61. Sobczak N., Książek M., Formanek B.: Fizyko-chemiczne podstawy wytwarzania kompozytów odlewanych in situ typu Al-A/P3' Projekt badawczy Nr 7 T08B 003 20, finansowany przez KBN, 2000-2004.
62. Asthana R, Sobczak N.: Wetting, adhesion, and interfacial phenomena in aluminaNinl couples. Project INT-0002341, #9911017, COBASE Program, National Academy of Sciences & National Science Foundation (USA), 2001-2002.
63. Sobczak N., Książek M., Radziwiłł w.: Opracowanie efektywnego sposobu zwiększenia trwałości połączenia i odporności na szoki cieplne w układzie Al-tlenek glinu, Zlec. 8029/00. Instytut Odlewnictwa, Kraków 2000 .
64. Sobczak N., i in.: Kształtowanie nanostruktury powierzchni ceramicznych oraz granic rozdziału materiałów metalowo-ceramicznych. Zlec. 3041/00, Instytut Odlewnictwa, Kraków 2004.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BAT4-0004-0072