Das Legieren ist ein Schlüsselprozess bei der Herstellung neuer Materialien. Durch die Kombination von Metallen mit wünschenswerten Eigenschaften können Wissenschaftler Legierungen mit geeigneten Eigenschaften herstellen. Beispielsweise ist Edelstahl, der durch die Kombination von Eisen mit Chrom, Nickel und anderen Elementen in kleineren Mengen entsteht, äußerst korrosionsbeständig.
Eine für militärische Anwendungen besonders interessante Legierungsklasse sind die Nickel-Wolfram-Legierungen (Ni-W). Diese Legierungen zeichnen sich durch eine hohe Haltbarkeit aus und eignen sich daher gut als Beschichtungen. Da Ni und W unterschiedliche Eigenschaften haben, bilden ihre Verbindungsgrenzflächen einzigartige Schichten, in denen intermetallische Verbindungen (IMCs) und diffusionsinduzierte Rekristallisationsbereiche (DIR) durch Prozesse wie Diffusion und Grenzflächenreaktionen gebildet werden.
Diese Bereiche weisen im Vergleich zum Rest der Legierung ein deutlich anderes mechanisches, thermisches und chemisches Verhalten auf. Daher ist das Verständnis der Eigenschaften dieser Grenzflächen ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Legierungen mit geeigneten Eigenschaften.
Nun haben Forscher unter der Leitung von Assistenzprofessor Minho Oh vom Tokyo Institute of Technology und darunter Professor Hee-Soo Kim, derzeit an der Chosun-Universität in Südkorea, aufgeklärt, wie verschiedene Phasen, einschließlich IMCs, in einer Ni-W-Legierung gebildet werden. Ihre Ergebnisse veröffentlicht im Zeitschrift für Legierungen und Verbindungen kann sich bei der Entwicklung von Ni-W-Legierungen als wertvoll erweisen, die länger halten und als Beschichtungen wirksamer sind.
„Erkenntnisse aus Untersuchungen von IMCs und Zwischenschichten, die durch Diffusion an der Ni/W-Grenzfläche entstehen, haben das Potenzial, die Wirksamkeit und Langlebigkeit wichtiger Materialien in verschiedenen Bereichen deutlich zu verbessern“, sagt Oh.
Um die Ni/W-Grenzfläche zu untersuchen, legten die Forscher ein W-Blatt zwischen zwei Ni-Platten. Anschließend erhitzten sie die Probe 112 Stunden lang auf 1123 K, um die Diffusion zu fördern, und glühten anschließend 234,15 Stunden lang bei derselben Temperatur.
Anschließend analysierten die Forscher mithilfe experimenteller Techniken die Morphologie und chemische Zusammensetzung der Grenzfläche. Sie analysierten die Konzentrationen von Ni und W in jeder Phase des Materialquerschnitts sowie die Korngrößen der an der Grenzfläche gebildeten Regionen.
Darüber hinaus entwickelten die Forscher ein Diffusionsmodell, das die Diffusionsraten von Ni und W sowohl in der Metallmasse als auch in verschiedenen Grenzflächenregionen berücksichtigte, um die Bildung dieser Grenzflächenregionen zu erklären.
Ihre Analyse ergab, dass die Interdiffusion von Ni und W zu einer IMC-Schicht aus Ni4W führt, die bidirektional zu Ni- und W-Platten hin wächst. Die W-Atome bewegen sich weiter in die Ni-Matrix und bilden einen diffusionsinduzierten rekristallisierten Bereich (DIR) zwischen der Ni-Matrix und der IMC-Schicht. Bemerkenswerterweise weisen sowohl der Ni4W-IMC- als auch der DIR-Bereich eine polykristalline Struktur auf.
Der DIR-Bereich ist keine einzelne Phase, sondern ein Mischkristallbereich innerhalb der Ni-Phase. Es zeichnet sich durch das Vorhandensein länglicher säulenförmiger Körner aus, die die Korngrenzendiffusion von W-Atomen erleichtern.
Im DIR-Bereich führt das Ungleichgewicht der Diffusionsraten von Ni und W dazu, dass sich in der Nähe der Grenzfläche zwischen Ni und DIR im DIR-Bereich unregelmäßig geformte Hohlräume bilden, die als Kirkendall-Hohlräume bekannt sind. Insbesondere beeinflussen die Grenzflächen aus DIR-Bereich, IMC und Hohlräumen die Festigkeit und thermischen Eigenschaften des Materials.
„Diese Erkenntnisse erweitern nicht nur unser Verständnis der DIR-Region, die aus der Bildung und Diffusion von IMC an der Ni/W-Grenzfläche resultiert, sondern bieten auch entscheidende Einblicke in das Phänomen der Bildung von Kirkendall-Hohlräumen und den Mechanismus der Defektbildung innerhalb der DIR-Region des Metallsystems.“ „, sagt Oh.
„Dieser integrierte Ansatz verbessert unser Verständnis der Thermodynamik und Kinetik des Ni-W-Diffusionspaares und erweitert so das Wissen, das für die Hochtemperatur-Materialwissenschaft von entscheidender Bedeutung ist.“
Mehr Informationen:
Minho Oh et al.: Verständnis des Kirkendall-Effekts in der durch Ni(W)-Diffusion induzierten Rekristallisationsregion, Zeitschrift für Legierungen und Verbindungen (2024). DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.174556