Gerichtete Erstarrung und Phasenstabilisierung

Quelle: Sina Shahbazmohamadi und Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, School of Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT

Richtungsweiseer Erstarrungszonenschmelzen ist ein metallurgischer Prozess, bei dem ein schmaler Bereich eines Kristalls (in der Regel in Form von bar) geschmolzen wird. Der Ofen bewegt sich entlang der Stabformprobe, was bedeutet, dass die geschmolzene Zone entlang des Kristalls bewegt wird und die geschmolzene Zone von einem Ende des Balkens zum anderen verschoben wird. Dieser Mechanismus ist weit verbreitet in Legierungen verwendet, jedoch ungelöste Atome neigen dazu, sich von der Schmelze zu trennen. Bei dieser Art von Legierung konzentrieren sich die Verunreinigungen auch in der Schmelze und bewegen sich zusammen mit der beweglichen geschmolzenen Zone an ein Ende der Probe. Daher wird das Zonenschmelzen am umfangreichsten für die Veredelung von kommerziellen Materialien verwendet. Abb. 1. zeigt, wie sich die hochunreine geschmolzene Zone von einer Seite der Bar zur anderen bewegt. Die vertikale Achse ist die Verunreinigungskonzentration und die horizontale Achse die Probenlänge. Aufgrund der Tendenz, dass sich Verunreinigungen in den geschmolzenen Bereich ablagern, ist ihre Konzentration in der Schmelze höher als im Feststoff. Wenn also die geschmolzenen Materialien bis ans Ende der Stange wandern, wird die Verunreinigung bis ans Ende der Stange transportiert und das hochreine festes Material hinter sich gelassen.

Abbildung 1: Schematische Änderung der Zusammensetzung während der Zonenschmelzrichtungserstarrung.

In dieser Studie wird ein Zonenschmelz-Richtungserstarrungsapparat eingesetzt, um stabile Strukturen von Pb-Cd-Legierungen zu synthetisieren.

Neben der Materialraffination ist die Zonenschmelz-Richtungserstarrung in der Lage, stabile Mikrostrukturen zu entwickeln. Ein Diffusionsprozess in der Flüssigkeit (in der Nähe der festen Flüssigkeitsschnittstelle) kann jedoch zu Mischen und einem Konvektionsstrom in der Schmelze führen, was zu einer instabilen Mikrostrukturbildung führt. Eine stabile Phasenentwicklung ist besonders bei peritektischen Reaktionen wichtig.

Abb. 2 zeigt ein Schema einer peritektischen Reaktion in einem Phasendiagramm. Wie in Abb. 2 gezeigt wurde, ist eine peritektische Reaktion eine Erstarrungsreaktion, bei der eine feste Phase (z.B. ) und eine flüssige Phase (L) zusammen eine zweite feste Phase bilden," während sie gekühlt wird ( L +' ). Der Pfeil in der Abbildung zeigt den Kühlprozess und wie sich Phasen bilden.

Abbildung 2: Schemader der peritektischen Reaktion in einem Phasendiagramm.

Banding (Abb. 3) ist eine gemeinsame Struktur in richtungsweisend erstarrten peritektischen Legierungen mit relativ niedrigeren Wachstumsraten, die sich aus oszillatonen Konvektionsmodi in der Flüssigkeit ergeben. Die Flüssigkeit, in der Nähe der wachsenden Schnittstelle, ist im Vergleich zur anderen Phase unterkühlt. Daher kann die primäre Phase keinen stabilen Zustand erreichen, während die zweite Phase vor der Primärphase nukleiert und wächst. In ähnlicher Weise verhindert die Primärphase, dass die zweite Phase einen stabilen Zustand erreicht, indem während des transienten Wachstumsregimes der zweiten Phase alternative Bänder von -, und -phasen, die fast parallel zur Planerschnittstelle im peritektischen System. Banding-Strukturen wurden in vielen peritektischen Systemen beobachtet, einschließlich Fe-Ni, Sn-Cd, Zn-Cu, Sb-Sn und Pb-Bi. Die Breite der einzelnen Schicht, der Raum zwischen ihnen und ihre Stabilität werden stark durch Wachstumsgeschwindigkeit und Keimtemperatur beeinflusst. Darüber hinaus können Zusammensetzungsbereiche und Konvektion in der Flüssigkeit die Schichtstruktur verändern.

Abbildung 3: Schematische Bandstruktur (weiß: b, schwarz: ß, G.D.: Growth Direction).

In dieser Studie wollen wir den zonenschmelzenden Richtungserstarrungsofen mit einem Mechanismus einsetzen, um den Einfluss der Konvektion zu vermeiden. Der Ofen (Abb. 4.) wurde hier bei UConn entworfen und entwickelt. Der Erstarrungsprozess geht in vertikaler Richtung. Wenn also die Lösung mehr Dichte hat, wandert sie die Schmelze nach unten. Dann gefriert eine Kühlzone direkt nach dem Ofen die geschmolzenen Materialien ein, bevor sie genügend Zeit für Konvektion/Mischung haben. Daher ist diese Technik auf Legierungen mit relativ schwerem Gelöstem beschränkt.

Legierungen aus dem Pb-Cd-, Pb-Bi- oder Sn-Cd-System sollten bei unterschiedlichem thermischen Gradienten und unterschiedlicher Geschwindigkeit richtungsweisend verfestigt werden, um die Wachstumsbedingungen für die genannten Systeme zu bestimmen, bei denen die Diffusion in den festen Phasen relativ langsam ist. Alle Proben sollten aus reinen Metallen (Anfangsreinheit mehr als 99,99%) hergestellt werden.

Abbildung 4: Zonenschmelz-Gefrier-Richtungserstarrungsofen, entwickelt bei UConn.

1. Legen Sie ein 100 m Chromalalumel-Thermoelement (in einem 0,1 cm Doppelbohrungsmullschutzrohr) in ein Pyrex-Rohr mit Außendurchmesser mit 8 mm Außendurchmesser ein. Die Rohrlänge sollte etwa 30 cm betragen. Die Thermoelementspitze sollte mit einer Bornitridschlämme beschichtet werden.
2. Formen Sie Stäbe der gewünschten Zusammensetzung, indem Sie zuerst die Legierung in einem Tiegel schmelzen und die geschmolzene Legierung mittels eines Teilvakuums in das Pyrex-Rohr ziehen. Verwenden Sie dazu eine Glühbirne, die am Ende des Pyrex-Rohrs befestigt ist, um die Schmelze in das Rohr zu saugen.
3. Legen Sie die Probe in die vertikale Widerstandszone Schmelz- und Gefriervorrichtung (Abb. 4). Der Abstand zwischen dem Heizelement und der folgenden Kälte wird auf 0,5 cm eingestellt.
4. Führen Sie den Ofen aus, um sich vertikal von unten nach oben zu bewegen. Es werden mindestens drei Richtungszonen zum Schmelzen des Gefrierpasses vorgeschlagen.
5. Entfernen Sie die Probe aus dem Pyrex-Rohr (brechen Sie das Rohr) und polieren Sie es für Mikrostrukturcharakterisierungen. Verwenden Sie zum Polieren die dreistufigen SiC-Papiere (600, 800 und 1200), gefolgt von drei Schritten von Alumina/kolloidalen Kieselsäure-Schleifpartikeln (3 m, 1 m und 0,05 m).
6. Analysieren Sie die Mikrostrukturen mit hilfe optischer Mikroskopie.

Abb. 5 und 6 zeigen die Mikrostrukturen, die aus der Richtungszonenschmelzerung der Pb-55Cd-Legierung entwickelt wurden, die durch ein optisches Mikroskop bei zwei unterschiedlichen G/V-Verhältnissen aufgedeckt wurde (G: thermischer Gradient, V: Geschwindigkeit der Ofenbewegung entlang des Pyrex-Rohrs).

Bei niedrigem Verhältnis (G/V=1,03-10⁶ (^oC.Sec/Cm²)) bestand die Mikrostruktur aus verzweigten Dendriten der Phase in der Matrix der ß-Phase. Bei einem moderaten G/V-Verhältnis (G/V=1,55-10⁶ (^oC.Sec/Cm²) werden jedoch ausgerichtete stabile Mikrostrukturen (unverzweigte Dendriten oder Zellen) der Phase in der Matrix der ß-Phase entwickelt.

Abbildung 5: Längs- (links) und quer (rechts) Mikrographien der Pb-55Cd-Legierung, aufgenommen im niedrigen Verhältnis G/V=1,03 x 10⁶ (^oC.Sec/Cm²), diezeigen, wie sich die stabilen Mikrostrukturen während der Zonenschmelzrichtungserisierung entwickeln.

Abbildung 6: Längsmikroskopie der Pb-55Cd-Legierung, aufgenommen im moderaten Verhältnis G/V=1,55 x 10⁶ (^oC.Sec/Cm²), undzeigt, wie sich die ausgerichteten stabilen Mikrostrukturen während der Zonenschmelzrichtungserierung entwickeln.

Dieses Experiment zeigt, dass eine bestimmte Art von Zonenschmelz-Gefrierrichtungserstarrungsofen verwendet wird, um stabile Mikrostrukturen zu entwickeln. Im Gegensatz zur zweiphasigen instabilen Mikrostruktur, die bei Raumtemperatur nicht im Gleichgewicht ist und die Struktur über einen Zeitraum von Monaten durch Diffusion bei Raumtemperatur abgebaut wird, wird die einphasige Struktur, die in der angebauten Probe erhalten wird, nicht verändert.

Probe mit stabilen Phasen, die von den genannten Öfen entwickelt wurden, kann in verschiedenen Industrien, einschließlich Biosensoren und Halbleitern, weit verbreitet sein, in denen Legierungen mit stabilen Phasen erforderlich sind, um einen Abbau während der langzeitigen Anwendung zu vermeiden. Darüber hinaus kann der Ofen bei Forschungen eingesetzt werden, die darauf abzielen, den Einfluss der Konvektion auf stabile und metastabile Phasenformationen zu finden.