CC BY
49
УДК 620.186.5: 669.017
Формирование диффузионной зоны на границе раздела биметалла никель/алюминий
С.В. Макаров, М.Г. Олимов, В.А. Плотников, С.В. Хлебутина, О.С. Яковлева
Алтайский государственный университет (Барнаул, Россия)
Formation of a Diffusion Zone at the Interface of Nickel/Aluminum Bimetal
S.V. Makarov, M.G. Olimov, V.A. Plotnikov, S.V. Hlebutina, O.S. Yakovleva Altai State University (Barnaul, Russia)
Проведены исследования формирования диффузионной зоны на границе раздела никель/алюминий. Биметаллические образцы, представляющие собой спрессованные пластины никеля и алюминия, отжигались в вакуумной печи при температуре выше температуры плавления алюминия. Закономерности формирования диффузионной зоны исследовали на образцах с разными временными интервалами отжига. Спеченные образцы разрезали поперек границы раздела, поверхность среза шлифовали и полировали.
Анализ экспериментальных результатов свидетельствует, что увеличение времени термической активации диффузионных процессов приводит к возрастанию ширины диффузионной зоны, для которой измеренная микротвердость представляет собой функцию с максимумом, что свидетельствует о характере распределения фазовых составляющих на границе раздела никель/алюминий. Наиболее широкую область гомогенности, как следует из диаграммы состояния а, следовательно, и большую вероятность образования интерметаллических соединений имеют фазы NiAl и №^1 Диффузионная зона представляет собой макроскопический объект на границе раздела биметалла никель/алюминий, тем самым свидетельствует о макроскопическом диффузионном пути диффузантов.
Измеренные диффузионные параметры диффузионной зоны на границе раздела биметаллического образца свидетельствуют о том, что по мере увеличения времени выдержки при 700 0С растет коэффициент диффузии. Увеличение коэффициента диффузии, очевидно, связано с формированием разветвленных межкристаллитных и межфазных границ в ходе синтеза в диффузионной зоне интерметаллических соединений. Совокупность интерметаллических фаз и твердых растворов определяет прочностные свойства диффузионной зоны, следовательно, и адгезионную прочность биметаллического агрегата.
In this paper, a study of a diffusion zone at the nickel/ aluminum interface is carried out. Bimetallic samples constructed from pressed plates of Nickel and Aluminum have been annealed in a vacuum furnace at a temperature above the melting temperature of aluminum. Formation patterns of diffusion zones are investigated using the samples with different intervals of annealing time. Sintered samples have been cut across the boundaries of the section; the cut surface has been polished.
Analysis of experimental results shows that the increase of diffusion process thermal activation time leads to the increase diffusion zone width. For this zone, the measured microhardness is a function with its maximum that indicates the nature of the phase components distribution at the Nickel/Aluminum interface. According to the Ni-Al phase diagram, the widest homogeneity range and, consequently, greater probability of formation of intermetallic compounds, have NiAl and Ni3Al phases. The diffusion zone itself is a macroscopic object at the interface of Nickel/Aluminum bimetal, thereby, showing the macroscopic diffusion of diffusants.
Measured diffusion parameters of the diffusion zone at the interface of bimetallic sample demonstrate the increase of diffusion coefficient with the increase of exposure time at 700 0C. Apparently, this behavior is due to the formation of branched intergranular and interphase boundaries during the synthesis of intermetallic compounds in the diffusion zone. The combination of intermetallic phases and solid solutions determines the strength properties of the diffusion zone, and, consequently, the adhesion strength of the bimetallic compound.
Ключевые слова: никель, алюминий, диффузионная зона, взаимная диффузия, аномальная диффузия, интерметаллическая фаза, защитные и упрочняющие покрытия.
DOI 10.14258/izvasu(2018)1-04
Key words: nickel, aluminum, diffusion zone, mutual diffusion, anomalous diffusion, intermetallic phase, protective and strengthening of the coating.
Введение
В области контакта двух разнородных металлов происходит процесс взаимной диффузии, результатом которого является формирование переходной области, так называемой диффузионной зоны [1]. Диффузионная зона характеризуется градиентом концентрации и градиентом химического потенциала в связи с неоднородным распределением компонентов системы, вследствие чего происходит диффузионное перемещение атомов, ведущее в итоге к установлению во всем объеме образца фазового состава, определяемого диаграммой состояния. Процессы взаимной диффузии, протекающие в диффузионной зоне, лежат в основе многих технологических процессов, например таких, как нанесение защитных и упрочняющих покрытий на поверхности металлов, что и определяет актуальность данного исследования.
В многокомпонентных системах взаимная диффузия в диффузионной зоне сопровождается как формированием неограниченных твердых растворов на основе компонент, участвующих во взаимной диффузиии образца, так и возникновением интерметаллических фаз. Поэтому коэффициент взаимной диффузии будет существенно зависеть от структурно-фазового состояния диффузионной зоны. Внутренние границы раздела (границы зерен и межфазные границы) являются каналами ускоренной диффузии. Диффузия по границам протекает на несколько порядков быстрее, чем в объеме кристалла [2].
В системе Ni-Al, являющейся базовой для получения ряда жаропрочных сплавов, интерметаллические соединения обладают высокой температурой плавления, высокой теплопроводностью, высокой коррозионной стойкостью [3]. Все это и определяет повышенный интерес к данной системе. В этой связи целью работы является исследование формирования диффузионной зоны за счет взаимной диффузии элементов на границе раздела биметаллических образцов Ni/Al.
Материалы и методика исследования
Пластины никеля и алюминия, приведенные в плотное соприкосновение путем прессования, подвергались изотермическому отжигу в вакуумной печи при остаточном давлении 10-4 мм рт. ст. и температуре 700 0С. Время выдержки при этой температуре было выбрано: для первого образца — 2 часа, для второго —
5 часов, для третьего — 8 часов. Следовательно, в работе рассматривается взаимная диффузия при контакте типа «твердое — жидкое» (Ni — «твердое», Al — «жидкое»). После охлаждения образцы разрезали перпендикулярно границе раздела, изготавливали шлифы путем механического очищения поверхности и полирования. Металлографические исследования диффузионной зоны проводили на оптическом микроскопе NEOPHOT-32. Измерение микротвердости осуществляли на приборе ПМТ-3М с нагрузкой 100 г на индентор.
Формирование фаз в системе никель — алюминий
Согласно диаграмме состояния Ni-Al [3] (см. рис. 1) при взаимодействии алюминия с никелем могут синтезироваться интерметаллические фазы NiAl3, Ni2Al3, NiAl, Ni3Al. Кроме того, способны образовываться твердые растворы переменного состава, существующие в ограниченном интервале концентраций. Среди приведенных интерметаллических соединений лишь фаза NiAl и в меньшей степени фаза Ni3Al имеют широкую концентрационную область гомогенности [4]. Это может свидетельствовать о некотором преимущественном зарождении таких фаз при активации диффузионных процессов на границе раздела биметаллических образцов никель — алюминий.
Результаты эксперимента
При термической активации взаимной диффузии в биметаллическом образце никель/алюминий (выдержка при 700 0С в течение двух часов) наблюдается, как показано на рисунке 1, формирование диффузионной зоны, в которой распределение фазовых составляющих в окрестности границы раздела представляет собой функцию с максимумом.
Как следует из данных рисунка 1, диффузионная зона представляет собой область концентрации двухфазной смеси шириной около 150 мкм, а максимум микротвердости величиной около 7 ГПа соответствует прочности фазы NiAl3 [5] или Ni2Al3 [6].
Увеличение времени выдержки биметаллического образца при 700 0С значительно расширяет диффузионную зону. Как показано на рисунке 2, выдержка при 700 0С в течение 8 часов сопровождается увеличением ширины диффузионной зоны примерно до 300 мкм.
Рис. 1. Структура диффузионной зоны на границе раздела никель/алюминий при выдержке в течение двух часов при 700 0С (алюминий слева) (а). Распределение микротвердости в окрестности границы (б)
б
Рис. 2. Структура диффузионной зоны на границе раздела никель/алюминий при выдержке 8 часов при 700 0С (алюминий слева) (а). Распределение микротвердости в окрестности границы (б)
Диффузионная зона представляет собой структурно неоднородную область в окрестности границы между компонентами алюминий (слева) и никель (справа), что может свидетельствовать об активности направленных диффузионных потоков реагирующих компонент.
Геометрия диффузионной зоны. Для анализа геометрических параметров диффузионной зоны экспериментальные зависимости аппроксимировали функцией Гаусса
У = Уо + -
А
-2
О-*»)2
пфс/2
где у — полуширина диффузионной зоны; А — величина микротвердости; х — текущее значение ширины диффузионной зоны. Результаты анализа изменения микротвердости в диффузионной зоне, осуществленные с помощью функции Гаусса для пяти биметаллических образцов, приведены в таблице 1.
Параметры функции Гаусса
Таблица 1
а
Номер образца Время отжига, час у0, мкм хс, мкм ад, мкм АМ, ГПа/мкм СЫ2 Я
1.1 2 0,5±0,2 368,0±3,1 47,2±6,6 354±54,6 0,66 0,87
1.2 2 0,5±0,1 427,7±1,3 46,9±2,8 379±24,2 0,14 0,96
2.1 5 0,2±0,7 299,4±6,6 87,2±15,6 986±209 3,63 0,91
2.2 5 0,4±0,7 275,5±2,6 78,5±6,1 903±83,2 0,14 0,97
3.1 8 0,1±0,7 205,8±9,3 143,1±26,3 1231±285,8 2,53 0,73
Анализируя данные таблицы 1, отметим следующие тенденции в развитии диффузионной зоны при увеличении времени выдержки при 700 0С: смещение максимума х в сторону алюминия; значительное увеличение полуширины диффузионной зоны; рост микротвердости в диффузионной зоне. Все это свидетельствует об активных диффузионных процессах, лежащих в основе формирования обширной диффузионной зоны и синтеза интерметаллических соединений.
Расчет коэффициента диффузии
Диффузионные процессы на границе раздела биметалла никель/алюминий протекают в условиях термической активации, а также действия градиен-
та концентрации и градиента химического потенциала. В этой связи рассчитать коэффициент диффузии Б можно по формуле
с=—,
где х — средняя глубина диффузионного слоя (для расчета берется половина глубины диффузионного слоя); t — время диффузионного процесса [7].
Используя данную формулу, мы рассчитали коэффициенты взаимной диффузии для пяти образцов. В таблице 2 приведены значения коэффициента диффузии, свидетельствующие о росте коэффициента диффузии при увеличении времени выдержки при 700 0С.
Коэффициенты взаимной диффузии на границе раздела никель/алюминий
Таблица 2
Номер образца Время отжига, час Полуширина диффузионной зоны, мкм Коэффициент диффузии, 10-8см2/с
1.1 2 47,20 0,155
1.2 2 46,92 0,153
2.1 5 87,25 0,211
2.2 5 78,53 0,171
3.1 8 143,17 0,356
Обсуждение
Формирование диффузионной зоны на границе раздела биметалла никель/алюминий, термоак-тивируемое выдержкой при 700 0С, осуществляется в условиях аномальных диффузионных процессов. Коэффициент диффузии практически совпадает с коэффициентом самодиффузии по границам наклона для алюминия (при Т = 700К, Б = 1,2-10-12 см2/с), определен методом компьютерного моделирования с использованием парного потенциала Морзе [8]. Результатом таких процессов является синтез интерметаллических соединений системы №-А1 в диффузионной зоне. Из сопоставления измерений микротвердости с литературными данными [6] можно заключить, что диффузионная зона представляет собой смесь интерметаллических фаз №3А1, №А1, №2А13, №А13, причем фазовый состав зависит от времени выдержки. Следует отметить, что диффузионная зона представляет собой, как и для системы титан/алюминий [9], макроскопический объект на границе раздела биметалла никель/алюминий, свидетельствуя тем самым о макроскопическом диффузионном пути диф-фузантов. Рост коэффициента диффузии при увеличении времени выдержки при 700 0С, очевидно, связан с формированием разветвленных межкристаллитных и межфазных границ в ходе синтеза интерметаллических соединений в диффузионной зоне.
Характерно, что диффузионная зона смещается в сторону алюминия, что может быть связано с высоким коэффициентом диффузии никеля в алюминии. Действительно, коэффициент диффузии N1 в жидком алюминии составляет 5-10-4 см2/с [6], что может обеспечивать миграцию диффузионной зоны относительно исходной границы раздела.
Заключение
Исследования трансформации границы раздела в биметаллических образцах алюминий/никель свидетельствуют об аномальных диффузионных процессах, протекающих в условиях термической активации диффузионной подвижности и действии градиента химического потенциала. Диффузионная зона представляет собой совокупность интерметаллических фаз системы №-А1, распределенных с переменной плотностью в макроскопической области — окрестности исходной границы раздела и смещенной в сторону алюминия. Рост коэффициента диффузии при увеличении времени выдержки при 700 0С обусловлен формированием дополнительных диффузионных каналов — межкристаллитных и межфазных границ. Совокупность интерметаллических фаз твердых растворов определяет прочностные свойства диффузионной зоны, следовательно, и адгезионную прочность биметаллического агрегата.
Библиографический список
1. Гегузин Я.Е. Диффузионная зона. — М., 1979.
2. Каур И., Густ В. Диффузия по границам зерен и фаз. — М., 1991.
3. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. — М., 1996.
4. Федорищева М.В., Сергеев В.П., Сергеев О.В., Козлов Ф.В. Структура и механические свойства интерметал-лидного магнетронного покрытия на основе системы Ni-Al // Известия РАН. Серия физическая. — 2009. — Т. 73, №7.
5. Терехов С.В. Взаимная диффузия в конденсированных растворах // Журнал технической физики (ЖТФ). — 2007. — Т. 7.
6. Иванько А.А. Твердость : справочник. — Киев, 1968.
7. Алюминиевые сплавы. Металловедение алюминия и его сплавов : справочное руководство. — М., 1971.
8. Драгунов А.С., Демьянов Б.Ф., Векман А.В. Моделирование процессов самодиффузии по границам зерен // Актуальные проблемы физики твердого тела : сборник докладов Международной научной конференции. — Минск, 2009. — Т. 3.
9. Алонцева Д.Л., Плотников В.А., Олимов М.Г., Макаров С.В. Формирование обширной диффузионной зоны на границе раздела титан — алюминий // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2012. — № 4/2.
