Een klasse legering die van bijzonder belang is voor militaire toepassingen zijn de nikkel-wolfraamlegeringen (Ni-W). Deze legeringen hebben een hoge duurzaamheid, waardoor ze bruikbaar zijn als coatings. Omdat Ni en W verschillende eigenschappen hebben, vormt hun verbindingsvlak unieke lagen waar intermetallische verbindingen (IMC's) en door diffusie geïnduceerde herkristallisatie (DIR) gebieden worden gevormd door processen zoals diffusie en grensvlakreacties.

Deze gebieden vertonen aanzienlijk ander mechanisch, thermisch en chemisch gedrag vergeleken met de rest van de legering. Daarom is het begrijpen van de eigenschappen van deze grensvlakken een belangrijk aspect bij het ontwerpen van legeringen met geschikte eigenschappen.

Nu hebben onderzoekers onder leiding van assistent-professor Minho Oh van het Tokyo Institute of Technology en onder wie professor Hee-Soo Kim, momenteel aan de Chosun Universiteit in Zuid-Korea, onthuld hoe verschillende fasen, waaronder IMC's, worden gevormd binnen een Ni-W-legering. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het Journal of Alloys and Compounds kan waardevol blijken bij de ontwikkeling van Ni-W-legeringen die langer meegaan en effectiever zijn als coatings.

"Inzichten uit studies van IMC's en tussenlagen gevormd door diffusie op het Ni/W-grensvlak hebben het potentieel om de effectiviteit en levensduur van belangrijke materialen op verschillende gebieden aanzienlijk te verbeteren", zegt Oh.

Om het Ni/W-grensvlak te onderzoeken, plaatsten de onderzoekers een W-vel tussen twee Ni-platen. Vervolgens verwarmden ze het monster gedurende 112 uur bij 1123 K om diffusie te bevorderen, gevolgd door gloeien bij dezelfde temperatuur gedurende 234,15 uur.

Vervolgens analyseerden de onderzoekers de morfologie en chemische samenstelling van het grensvlak met behulp van experimentele technieken. Ze analyseerden de concentraties Ni en W in elke fase van de dwarsdoorsnede van het materiaal, evenals de korrelgroottes van de gebieden die op het grensvlak werden gevormd.

Daarnaast ontwikkelden de onderzoekers een diffusiemodel dat rekening hield met de diffusiesnelheden van Ni en W in zowel het bulkmetaal als verschillende grensvlakgebieden om de vorming van deze grensvlakgebieden te verklaren.

Uit hun analyse bleek dat de interdiffusie van Ni en W resulteert in een IMC-laag van Ni₄ W, die bidirectioneel groeit naar Ni- en W-platen. De W-atomen blijven in de Ni-matrix bewegen en vormen een door diffusie geïnduceerd herkristalliseerd gebied (DIR) tussen de Ni-matrix en de IMC-laag. Met name zowel de Ni₄ W IMC en het DIR-gebied vertonen een polykristallijne structuur.

Het DIR-gebied is geen individuele fase, maar een regio met vaste oplossingen binnen de Ni-fase. Het wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van langwerpige kolomvormige korrels die de diffusie van W-atomen op de korrelgrens vergemakkelijken.

In het DIR-gebied zorgt de onbalans in de diffusiesnelheden van Ni en W ervoor dat onregelmatig gevormde holtes, bekend als Kirkendall-holtes, ontstaan ​​nabij het grensvlak tussen Ni en DIR in het DIR-gebied. Met name de grensvlakken bestaande uit het DIR-gebied, IMC en holtes beïnvloeden de sterkte en thermische eigenschappen van het materiaal.

"Deze bevindingen vergroten niet alleen ons begrip van het DIR-gebied als gevolg van IMC-vorming en diffusie op het Ni / W-grensvlak, maar bieden ook cruciale inzichten in het fenomeen van Kirkendall-leegtevorming en het mechanisme van defectvorming binnen het DIR-gebied van het metaalsysteem ”, zegt O.

"Deze geïntegreerde aanpak vergroot ons begrip van de thermodynamica en kinetiek in het Ni-W-diffusiekoppel, waardoor kennis wordt bevorderd die cruciaal is voor de materiaalwetenschap bij hoge temperaturen."

Meer informatie: Minho Oh et al, Inzicht in het Kirkendall-effect in door Ni(W)-diffusie geïnduceerde herkristallisatieregio, Journal of Alloys and Compounds (2024). DOI:10.1016/j.jallcom.2024.174556

Aangeboden door het Tokyo Institute of Technology