方向固化と位相安定化

出典:シナ・シャーバズモハマディとペイマン・シャーベイギ=ルードポシュティ,コネチカット大学工学部,ストールズ,CT

方向固化ゾーン融解は、結晶の狭い領域(通常はバーの形)が溶融する冶金プロセスです。炉はロッド形状サンプルに沿って移動し、溶融ゾーンが結晶に沿って移動し、溶融ゾーンがバーの一方の端から他方の端に移動することを意味します。このメカニズムは合金に広く使用されていますが、溶質原子は溶融物に分離する傾向があります。このタイプの合金では、不純物も溶融物に濃縮され、移動溶融ゾーンと共に試料の一端に移動する。したがって、ゾーン融解は、商業材料精製のために最も広く使用されています。図 1.は、高不純物溶融ゾーンがバーの一方の側からもう一方の側にどのように移動するかを示しています。縦軸は不純物濃度、横軸は試料長である。不純物が溶融領域に分離する傾向があるため、溶融物中の濃度は固体よりも高い。したがって、溶融材料がバーの端に移動すると、不純物はバーの端に輸送され、その背後に高純度固体材料を残します。

図1:ゾーン融解方向固化時の組成変化の概略図

本研究では、Pb-Cd合金の安定構造を合成するためにゾーン融解方向固化装置を採用する。

材料精製に加えて、ゾーン融解方向固化は安定した微細構造を開発することができる。しかし、液体中に拡散プロセス(固体液体界面に近い)を有すると、溶融物中の混合および対流電流を引き起こし、不安定な微細構造形成を引き起こす可能性がある。腹外反応において安定な相発達は特に重要である。

図2は、位相図における腹外反応の概略を示す。図2で実証されているように、腹前反応は、固相(例えばα)と液相(L)が冷却されるにつれて第2の固相(β)を形成する固化反応である(L+αβ)。図の矢印は、冷却プロセスとフェーズの形成方法を示しています。

図2:位相図における腹外反応の概略図

バンディング(図3)は、液体中の対流の振動モードに起因する比較的低い成長率で方向的に固化した腹膜合金における共通の構造である。液体は、成長界面に近く、他の相に対して冷却される。したがって、一次相は定常状態に達することができず、第2相は一次相に先んじて核化し、成長します。同様に、第一相は、第2相の一過性成長体制の間に核化することによって第2段階が定常状態に達するのを防ぎ、α相およびβ相の交互バンドを導き、ペリテックにおけるプランナーインタフェースにほぼ平行に形成されるシステム。バンディング構造は、Fe-Ni、Sn-Cd、Zn-Cu、Sb-Sn、およびPb-Biを含む多くの腹膜系で観察されている。個々の層の幅、それらの間の空間およびそれらの安定性は成長速度および核温度によって大きく影響される。さらに、液体中の組成範囲および対流は層構造を変化させることができる。

図3:帯構造の概略(白:α、黒:s、G.D.:成長方向)。

本研究では、対流の影響を避ける仕組みを持つゾーン融解方向固化炉の採用を目指す。炉(図4)はUConnで設計され、開発されています。固化のプロセスは垂直方向にあります。したがって、溶質がより多くの密度を有する場合、溶融物をベローを移動する。その後、炉の直後に冷却ゾーンは、対流/混合のための十分な時間を持つ前に、溶融材料を凍結します。したがって、この技術は、比較的重い溶質を有する合金に限定される。

Pb-Cd、Pb-Bi、またはSn-Cdシステムの合金は、固相の拡散が比較的遅い前述のシステムの成長条件を確立するために、異なる熱勾配と速度で方向的に固化する必要があります。すべてのサンプルは、純粋な金属(初期純度99.99%以上)から作られるべきです。

図4:UConnで開発したゾーン融解凍結方向固化炉

1. 直径8mmのパイレックスチューブに100μmのクロムルアルメル熱電対(0.1cmダブルボアムリット保護管)を挿入します。チューブの長さは約30cmでなければなりません。熱電対先端は、窒化ホウ素スラリーでコーティングする必要があります。
2. まずるつぼで合金を溶融し、部分的な真空を用いて溶融合金をパイレックスチューブに引き込むことで所望の組成物の棒を形成する。このためには、パイレックスチューブの端に取り付けられた電球を使用して、溶融物をチューブに吸い込めます。
3. 試料を垂直抵抗ゾーン溶融・凍結装置に入れる(図4)。発熱体と次の寒気との距離は0.5cmに設定されている。
4. 炉を実行して、下から上に垂直に移動します。少なくとも3つの指向性ゾーン溶融凍結パスが示唆される。
5. パイレックスチューブからサンプルを取り出し(チューブを壊します)、微細構造の特性評価のために研磨します。研磨には、3段階のSiCペーパー(600、800、1200)を使用し、続いてアルミナ/コロイドシリカ研磨粒子(3μm、1μm、0.05μm)の3ステップを使用します。
6. 光学顕微鏡を用いて微細構造を解析します。

図5および図6は、光学顕微鏡で明らかになったPb-55Cd合金の指向性ゾーン融解凝固から開発された微細構造を、2つの異なるG/V比(G:熱勾配、V:パイレックス管に沿った炉の動きの速度)で示す。

低い比率(G/V=1.03×10 ^6(oC.Sec/Cm²⁾⁾⁾で、微細構造は、β相の行列におけるα相の分岐デンドライトから構成されていました。中程度のG/V比(G/V=1.55×10^6(oC.Sec/Cm2)では、α相の安定した微細構造(枝分かれデンドライトまたはセル)がβ相のマトリックスに配置される。

図5:Pb-55Cd合金の縦方向(左)および横(右)顕微鏡写真を、低比G/V=1.03×106(oC.Sec/Cm2)で撮影し、ゾーン融解方向固化時に安定した微細構造がどのように発達するかを示す。

図6:Pb-55Cd合金の縦方向顕微鏡写真を、適度な比率G/V=1.55×106(oC.Sec/Cm2)で撮影し、ゾーン融解方向固化時に整列安定な微細構造がどのように発達するかを示す。

この実験は、安定した微細構造を開発するために、特定のタイプのゾーン溶融凍結方向固化炉を採用することを実証する。室温で平衡状態にない2相不安定な微細構造とは異なり、室温での拡散により数ヶ月にわたって構造が劣化し、成長した試料で得られる単相構造は変化を受けません。

前述の炉が開発した安定相を有する試料は、バイオセンサや半導体など、長時間の塗布時の劣化を避けるために安定相を有する合金が必要な様々な産業に幅広い用途を有する場合があります。さらに、炉は、安定した、転移性相の形成に対流の影響を見つけることを目的とした研究に採用され得る。