Modelowanie i symulacje obróbki cieplno-chemicznej superstopów na bazie niklu

• Autorzy: Tkacz-Śmiech, K. , Wierzba, B. , Nowotnik, A. , Danielewski, M.

Warianty tytułu

EN

Modelling and simulations of thermochemical treatment of nickel based superalloys

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Modyfikacja warstwy wierzchniej metali i stopów na drodze obróbki cieplno- chemicznej prowadzi do wytworzenia strefy dyfuzyjnej o złożonej morfologii. W pracach poświęconych temu zagadnieniu wprowadza się pojęcie noszona na diagram równowagi fazowej, która pozwala odtworzyć zmiany średniego składu chemicznego w przekroju strefy dyfuzyjnej, w kierunku równoległym do strumienia masy. Łączy punkty reprezentujące wyjściowe składy chemiczne badanej pary dyfuzyjnej i może przechodzić przez pola stabilności czystych faz oraz pola równowagi dwóch i trzech faz. W prezentowanej pracy przedstawiono spójny model dyfuzji wzajemnej w układzie trójskładnikowym, który pozwala wyznaczyć ścieżkę dyfuzji i przewidywać zmiany stężenia pierwiastków w przekroju pary dyfuzyjnej. Model bazuje na obliczeniach strumieni dyfuzji poszczególnych składników z zastosowaniem metody dwóch prędkości, postulującej istnienie lokalnej prędkości dryftu w materiale. W obliczeniach wykorzystano model pól fazowych, co pozwoliło uwzględnić transport masy przez wszystkie fazy, jakie mogą się tworzyć w układzie (również w obszarze dwufazowym). Proponowany model został zilustrowany na przykładzie dyfuzji w potrójnym układzie Ni-Cr-Al o szczególnym znaczeniu w badaniach nad otrzymywaniem, stabilnością i budową warstw aluminidkowych na superstopach niklu. Wyznaczono ścieżkę dyfuzji oraz profil zmian składu chemicznego w przekroju próbki (rys. 1), a uzyskane rezultaty porównano z danymi eksperymentalnymi. Wyniki potwierdzają, że w badanym układzie w procesie dyfuzji mogą się tworzyć obszary dwufazowe o złożonej morfologii.

EN

When a surface layer of metal or metallic alloy is subjected to thermochemical modification, then a diffusion zone of complex morphology can grow. In the papers dedicated to that problem, a concept of diffusion path is introduced. For ternary systems, it is a curve plotted on the isothermal section of the phase diagram, which allows predicting the element-distribution profiles in the direction parallel to mass transport. It connects the initial terminal compositions of the diffusion couple and can cross both single- and two- or three-phase fields. In this work, a consistent description of interdiffusion in the ternary system is presented. It allows predicting diffusion path and element-distribution profiles along x-axis parallel to the mass transport direction. In the proposed model, the mass fluxes of all elements are calculated with application of bivelocity method, predicting an existence of the local drift in the material. The mass transport through all phases which can grow in the system is considered. The current model has been applied to Ni-Cr-Al system of special interest in the studies on technology, stability and structure of aluminide layers on nickel superalloys. The diffusion path and element-distribution profiles have been calculated (Fig. 1). The results have been compared with experimental data. They confirm that the two-phase zone of complex morphology can really grow in the system under consideration.

Słowa kluczowe

PL

układ Ni-Cr-Al; ścieżka dyfuzji; strefa dyfuzyjna; pole faz; metoda dwóch prędkości

EN

Ni-Cr-Al ternary system; diffusion path; diffusion zone; phase field; bi-velocity method

• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 33, nr 6
• Strony: 613--617
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Tkacz-Śmiech, K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki,

autor

Wierzba, B.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

autor

Nowotnik, A.

• Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska

autor

Danielewski, M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Bibliografia

• [1] Kirkaldy J. S., Brown L. C.: Diffusion behaviour in ternary, multiphase systems. Can. Met. Quart. 1 (1963) 89÷115.
• [2] Van Loo F. J. J.: Multiphase diffiision in binary and ternary solid-state systems. Prog. Solid State Chem. 20 (1990) 47÷99.
• [3] Gupta P., Cooper A.: The [D] matrix for multicomponent diffusion. Physica 54 (1971) 39÷59.
• [4] Chen H., Morral J. E.: Variation of the effective diffusivity in two-phase region. Acta Mater. 47 (1999) 1175÷1180.
• [5] Boettinger W. J., Coriell S. R., Campbell C. E., McFadden G. B.: On the properties of y|y ÷ ß ternary diffusion couples. Acta Mater. 48 (2000) 481÷492.
• [6] Hopfe W. D., Morral J. E.: Zigzag diffusion paths in multiphase diffusion couples. Acta Metall. Mater. 42 (1994) 3887÷3894.
• [7] Li Y., Morral J. E.: A local equilibrium model for internal oxidation. Acta Mater. 50 (2002) 3683÷3691.
• [8] Morral J. E., Pan X., Zhou N., Larssen H., Wang Y.: Singularities in multiphase diffusion couples. Scripta Mater. 58 (2008) 970÷972.
• [9] Schwind M., Helander T., Argen J.: On zigzag shaped diffusion oaths in multiphase diffusion couples. Scripta Ĺ\/later. 44 (2001) 415÷421.
• [10] Yang H., Morral J. E., Wang Y.: On diffusion paths With “homs” and the formation of single phase layers in multiphase diffusion couples. Acta Mater. 53 (2005) 3775÷3781.
• [11] Wu K., Morral J. E., Wang Y.: A phase-field study of microstructural changes due to the Kirkendall effect in two-phase diffusion couples. Acta Mater 49 (2001) 34C›1÷3408.
• [12] Wu K., Morral J. E., Wang Y.: Predicting interdiffiision microstructures Rusing the phase fielcĹ approach. [W:] Elevated Temperature Coatings: Science and Technology IV, Ed. Dahotre N. B., Hampikian J. M., Morral J. E., TMS Warrendale (2001) l33÷142.
• [13] Darken L. S.: Diffusion, mobility and their interrelation through free energy in binary metallic systems. Trans. AIME 175 (1948) 184÷201.
• [14] Holly K., Danielewski M.: Interdiffusion and free-boundary problem for r -component (r > 2) one-dimensional mixtures showing constant concentration. Phys Rey B 50 (1994) 13336÷46.
• [15] Wierzba B.: Bi-Velocity reactive mass transport phenomenology; modelling of CVD process. Comp. Met. in Mat. Sci. 11 (2011) 364÷368.
• [16] Balluffi R. W., Allen S. M., Carter W. C., Kemper R. A.: Kinetics of materials. Hoboken Wiley. New York (2005).
• [17] Danielewski M., Wierzba B.: Thermodynamically consistent bi-Velocity mass transport phenomenology. Acta Mater. 58 (2010) 6717÷6727.
• [18] Wierzba B., Danielewski M.: Entropy production during interdiffusion under intemal stress. Phil. Mag. 91 (2011) 3228÷3241.
• [19] Danielewski M., Wierzba B., Gusak A., Pawełkiewicz M., Janczak-Rusch J.: Chemical interdiffusion in binary systems; interface barriers and phase competition. J. Appl. Phys. 110 (2011) 12370501÷516.
• [20] http://cadiff.diffusion.pl.
• [21] Rashidi A. M., Amadeh A.: Formation of aluminide phases on electrodeposited nanocrystalline nickel. Intermetallics 18 (2010) 1517÷1523.
• [22] Noro J., Ramos A. S., Vieira M. T.: Intermetallic phase formation in nanometric Ni/Al multilayer thin films. Intermetallics 16 (2008) 1061÷1065.
• [23] Perez F. J., Hierro M. P., Trilleros J. A., Carpintero M. C., Sanchez L., Brossard J. M., Bolívar F. J.: Iron aluminide coatings on ferritic steels by CVD-FBR technology. Intermetallics 14 (2006) 811÷817.
• [24] Gust W., Hintz M. B., Lodding A., Odelius H., Predel B.: Impurity diffusion of Al in Ni single crystals studied by secondary ion mass spectrometry (SIMS). Phys. Stat. Sol. A 64 (1981) 187÷194.
• [25] Ruzickowa J., Million B.: Self-diffusion of the components in the fcc phase of binary solid solutions of the Fe-Ni-Cr system. Mater. Sci. Eng. 50 (1981) 59÷64.
• [26] Campbell C. E.: Assessment of the diffusion mobilites in the y' and B2 phases in the Ni-Al-Cr system. Acta Mater. 56 (2008) 4277÷4290.
• [27] Huang W., Chang Y. A.: Thermodynamic properties of the Ni-Al-Cr system. Intermetallics 7 (1999) 863÷874.

Uwagi

PL

Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum
Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/03/B/
ST8/05970.