Degradacja złącza spawanego Ni/Ni3Al pod wpływem cząstkowego współczynnika dyfuzji aluminium

• Autorzy: Losertova M. , Hyspecka L. , Sozańska M. , Adamiec J.

Warianty tytułu

EN

Degradation of Ni/Ni3Al welded joints due to interdiffusion of aluminum

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Fazy międzymetaliczne na bazie niklu są materiałami funkcjonalnymi o wysokich właściwościach wytrzymałościowych w podwyższonych temperaturach. Istotnym problemem ich zastosowania w technice jest uzyskanie połączeń spawanych, które zachowują swoje właściwości użytkowe w podwyższonych temperaturach. Czynnikiem decydującym o ich użyteczności jest dyfuzja pierwiastków w złączu. Artykuł ten dotyczy połączeń spawanych Ni/Ni3Al, a w szczególności degradacji tych połączeń podczas długotrwałego wygrzewania dyfuzyjnego. Złącza Ni/Ni3Al były wykonane w piecu próżniowym wiązką elektronową poprzez stopienie części pręta Ni3Al i szybkie dociśnięcie z prętem Ni. Pozwoliło to na zachowanie granicy rozdziału Ni/Ni3Al (rys. 1). Połączenia te były następnie wyżarzane dyfuzyjnie w temperaturze 1140°C przez 48, 96 oraz 192 godziny. Badania metalograficzne po wyżarzaniu dyfuzyjnym ujawniły dwa obszary złącza (rys. 3). Pierwszy obszar odpowiadał strefie, w której obserwowano pory Kirkendalla (rys. 6), tj. miejsca ich pierwotnego formowania podczas migracji granicy Ni/Ni3Al do Ni3Al, co inicjowało przemianę fazową Ni3Al ->Ni(Al). Następnie analizowano profile stężenia Al prostopadle do granicy połączenia spawanego (rys. 3 i 4), a stężenia równowagowe były określane dla granicy fazowej z układu równowagi Ni-Al (rys. 2). Dla każdego profilu stężenia (równanie 1) określono płaszczyznę Matano oraz wyznaczono współczynniki dyfuzji cząstkowej (równanie 2). Rozkład statystyczny wyznaczonych cząstkowych współczynników dyfuzji przedstawiono na rys. 5, zarówno dla wszystkich temperatur wyżarzania, jak i czasów ich trwania, jak również oddzielnie dla obszaru I i II. Współczynnik dyfuzji cząstkowej wzajemnej w obszarze I był większy niż oczekiwano na podstawie równania transportu masy. Transport masy powoduje degradację połączenia spawanego Ni/Ni 3Al. Czynnikami wpływającymi na degradację są: odległość od granicy złącza, gdzie pory Kirkendalla występują, czas potrzebny do ich inicjacji oraz kinetyka procesu, tzn. zmiany udziału objętościowego porów w czasie dla stałej temperatury wyżarzania. Rysunek 7 przedstawia wyniki ilościowe udziału objętościowego porów Kirkendalla w odniesieniu do odległości od płaszczyzny Matano granicy Ni/Ni3Al. Na rys. 8 przedstawiono średnią powierzchnię porów w zależności od wspomnianej odległości. Średnia wartość udziału objętościowego porów Kirkendalla i ich średnia powierzchnia rosną od 0 (płaszczyzna Matano) aż do nowo uformowanej powierzchni międzyfazowej Ni/Ni3Al (rys. 7 i 8). Analiza przeprowadzonych wyników badań umożliwia odpowiedź na istotne dla inżynierów i konstruktorów pytania: gdzie, ile i w jakiej ilości powstaną pory Kirkendalla degradujące złącza dla danej temperatury i określonego czasu pracy.

EN

Nickel-based intermetallic compounds are structural materials with high strength properties at high temperatures. Very important problem for their exploitation is to provide access for information about the welded joints and their behaviour at high temperatures from technical point of view. Apart from its technical importance, diffusion in the welded joints is also of scientific interest. In this paper the Ni/Ni3Al welded joints, their degradation process and the way of a material degradation during diffusion annealing have been investigated. Therefore, mass transport effects and interdiffusion coefficients are also of interest and are discussed. The Ni/Ni3Al welded joints were prepared in vacuum electron furnace by local melting of one end of the Ni3Al bar and by rapid welding with nickel bar in order to preserve interface Ni/Ni3Al boundary (Fig. 1). Then, some of them were diffusion annealed in a quartz ampoule at temperature 1140°C for 48, 96 and 192 hours. Two regions were observed after annealing by means of optical metallography (Fig. 3). Very often, the first region corresponded to the region where the Kirkendall-pores were observed (Fig. 6), i.e. where they were previously formed during annealing when Ni/Ni3Al interface migrated towards Ni3Al and initiated the phase transformation from Ni3Al to Ni(Al). Further, Al-concentration profiles were analised in perpendicular direction to the welded joints (Figs. 3 and 4) and the equilibrium concentrations were calculated at the phase boundary for a binary Ni-Al diagram (Fig. 2). Matano plane was defined for every measured concentration profile (equation 1) and the interdiffusion coefficients were calculated (equation 2). Statistic distribution of calculated interdiffusion coefficients is shown on Fig. 5 for both annealing temperatures, all annealing durations and both regions I and II, separately. Contrary to expectations the interdiffusion coefficient was greater in the region I according to the mass transport. As reflected in the paper's title, the mass transport provides degradation of Ni/Ni3Al welded joints. The most important in the degradation is the distance from the joint where Kirkendall pores occurs, the time they take to occur and their kinetics, i.e changes of volume fraction in the time at constant temperature annealing. Figure 7 shows the volume fractions of Kirkendall pores plotted against the distance from Matano plane to the interface Ni/Ni3Al. Figure 8 shows the average pores surface versus on mentioned distance. The average value of the volume fraction of Kirkendall pores and their average surface increase from zero (Matano plane) toward to the new formed interface Ni/Ni3Al. Based on final results, it was found that there is possibility to answer to engineering problems, i.e. why, how and when the change of Ni/Ni3Al welded joints occurs.

Słowa kluczowe

PL

złącze spawane; degradacja; współczynnik dyfuzji; pory Kirkendalla; wyżarzanie dyfuzyjne; pustki Kirkendalla

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 26, nr 1
• Strony: 5--10
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Losertova M.

• Vysoka Skola Banska - Fakulta Metalurgie a Metarialoveho Inzenyerstva, Ostrava, Czechy

autor

Hyspecka L.

• Vysoka Skola Banska - Fakulta Metalurgie a Metarialoveho Inzenyerstva, Ostrava, Czechy

autor

Sozańska M.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej

autor

Adamiec J.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej

Bibliografia

• [1] Adaraiec J., Sozańska M., Losertova M., Hyspecka L.: Makro i mikrostruktury połączeń spajanych Ni3Al z niklem wykonanych wiązką elektronową. Inżynieria Materiałowa 2004
• [2] Wu K., Morral J. E., Wang Y.: Aphase field study of microstructural changes due to the Kirkendall effect in two-phase diffusion couples, Acta Mater., 49. 2001, 3401-3408.
• [3] Matan N., Winand H. M. A., Carter P., Karunara M., Bodgdanoff P. D., Reed R. C.: A coupłed thermodynamic/kinetic model for diffusional processes in superalloys, Acta Mater., 46, 1998, 4587^1-600
• [4] Hyspecka L., Losertova M., Drapała J., Sozańska M.: Diffusion processes in Ni/Ni 3Al welded joint after the high temperaturę annealing, Proc. VIII"' Seminar on Diffusion and Thermodynamics of Materials D&T'02, 2002, Brno 2002, (Ed. K. Ćermak, J. Yfeśfal), 164-167
• [5] Dupeux M., Wan Ch., Willemin P.: Application of binary interdiffusion models to y'(Ni 3Al)/y(Ni) difusion bonded interfaces, Acta Metali. Mater., 41, 1993, 3071-3076
• [6] Losertova M., Drapała J., Hyspecka L., Jonśta Z.: Diffusion processes in (•/)Ni/(/)Ni3Al welded joint, Hutnicke listy, LVII, 2002, 66-70
• [7] Losertova M., Hyspecka L., Drapała J., Sozańska M.: Microstructure changes due to the high temperaturę annealing in Ni/Ni 3 Al welded j oint, Proc. of the Int. Conf. Metal 2002, Hradec nad Moravici 2002, Tanger, spol. sr.o. Ostrava (streszczenie) and CD ROM. ISBN 80-8988-73-9
• [8] Drapała I., Trunćfk M., Kursa M., Hyspecka L.: Diffusion of aluminium in Ni3Al/Ni welded connection, J. Electrical Engineering, 48, 1997, 81-84
• [9] Drapała I., Kursa M., Trunćik M., Hyspecka L., Dagbert C., Jerome M., Galland J.: Study of diffusion processes at Ni3Al/Ni interface, Proc. of me Int. Conf. Metal'97, Tanger, s.r.o. Ostrava, 1997, 178-186
• [10] Philibert J.: Diffusion et transport de matiere dans les solides, 1985, Edition de Physiąue, 469
• [11] Watanabe M., Horita Z., Smith D. J., McCartney M. R., Sano T., NemotoM.: Electron microscopy study of Ni/Ni 3A1 diffusion-couple interface - I. Microstructural observation and microchemical analysis, Acta Metali. Mater., 42, 1994, 3381-87
• [12] Watanabe M., Horita Z.. Sano T., Nemoto M.: Electron microscopy study of Ni/Ni3Al diffusion-couple interface — II. Diffusiyity measurement, Acta Metali. Mater., 42, 1994, 3389-3396
• [13] Carter G. F.: Principles of physical and chemical metallurgy, American Society for Metals. ASM, Metals Park, Ohio 44073, 229-258
• [14] Haasen P.: Physikalische Metallkunde, Springer Verlag, Berlin, 1984
• [15] Darken L. S.: Diffusion, mobilny and their interrelation through free energy in binary metallic systems, Trans. Am. Inst. Min. Engrs, 175, 1948, 184-201
• [16] Baker H.: A curyature in the in D version l/T Plot for self-diffusion in nickel at temperatures from 980 to 1400°C, Physica Status Solidi, 28, 1968, 569-576
• [17] Zulina N. P., BolberovaE. V., Razumoyskij I. M.: Nickel self-diffusion along grain boundaries in Ni3Al-based intermetallic alloys, Acta Mater., 44, 1996, 3625-3631
• [18] Ćermak I., Stloukal I.: Low-temperature traces diffusion of nickel in Ni3 Al intermetallic, Scripta Mater., 36, 1997, 433^1-37
• [19] Nakajima H., Sprengel W., Nonaka K.: Diffusion in intermetallic compounds, Intermetallics, 4, 1996, 17-28
• [20] Underwood E. E.: Quantitative Stereology, Addision — Wesley Publ. Corp. Mento Park, California, USA, 1970, 274
• [21] Ryś I.: Stereologia materiałów, Fotobit - Design, Kraków. Poland, 1995. 394