Gerichtete Erstarrung und Phasenstabilisierung

Directional Solidification and Phase Stabilization

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Materials Engineering

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JoVE Science Education Materials Engineering

Directional Solidification and Phase Stabilization

7.5: Focused Ion Beams

7.12: Ceramic-matrix Composite Materials and Their Bending Properties

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08:32 min

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January 16, 2018

Overview

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.

Principles

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.

Procedure

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.
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.
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.
Führen Sie den Ofen aus, um sich vertikal von unten nach oben zu bewegen. Es werden mindestens drei Richtungszonen zum Schmelzen des Gefrierpasses vorgeschlagen.
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).
Analysieren Sie die Mikrostrukturen mit hilfe optischer Mikroskopie.

Die Zonenschmelze-Richtungserprosigung ist eine metallurgische Methode zur Herstellung stabiler Phasen in festen Werkstoffen. Während des Erstarrungsprozesses kühlt eine geschmolzene Legierung in verschiedene Phasen ab, die den Feststoff bilden. Mit Hilfe eines gerichteten Erstarrungsofens wird der Prozess der Phasenbildung und Stabilisierung in einem festen Material gut gesteuert. Dieses Video wird die Prinzipien der richtungsweisenden Erstarrung veranschaulichen und zeigen, wie sie im Laboreins angewendet werden können, um stabile Mikrostrukturen in einer festen Probe zu entwickeln.

Lassen Sie uns zunächst den Erstarrungsprozess selbst, der die Kühlung einer Flüssigkeit beinhaltet, genauer unter die Lupe nehmen. Wenn die Temperatur abnimmt, bewegen sich die Partikel der Flüssigkeit langsamer und beginnen zu nukleieren, um eine sogenannte “feste Phase” zu bilden. Dieses Prinzip wird in einem Phasendiagramm veranschaulicht, das die verschiedenen Phasen des Materials zeigt, wenn die Temperatur variiert. In der Nähe der Fest-Flüssig-Interphase erfolgt der Prozess der Partikeldiffusion in der Flüssigkeit. Dies kann zu Einer Mischung und einem Konvektionsstrom in der Schmelze führen, was zur Bildung instabiler Mikrostrukturen führt. Die Legierung in diesem Video besteht aus zwei Arten von festen Phasen: einer Alphaphase und einer Betaphase. Im besonderen Fall einer peritektischen Reaktion interagiert ein festes Phase-Alpha mit einer Flüssigkeit, um eine zweite Festphasen-Beta zu bilden. Bei geringer Wachstumsrate bilden sich abwechselnde Bänder von Alpha- und Betaphasen.

Dies wird als “Banding-Prozess” bezeichnet. Die Bandstruktur ist das Ergebnis der oszillierenden Modi der Konvektion in der Flüssigkeit. Der Zusammensetzungsbereich, die Konvektion in der Flüssigkeit, die Keimtemperatur und die Wachstumsgeschwindigkeit bestimmen die Eigenschaften der Banding-Ergebnisse. Diese werden durch die Breite der einzelnen Bänder, den Raum zwischen ihnen und ihre Stabilität definiert. Die Verwendung eines Zonenschmelz-Gefrierofens in vertikaler Richtung ist eine saubere Möglichkeit, den Erstarrungsprozess zu steuern. In diesem Experiment wird ein Feststoff in den Ofen bewegt, wo eine Flüssigkeit hergestellt wird, dann wird er sofort in eine Kühlzone gebracht, die das geschmolzene Material einfriert. Dieser Übergang kann schnell genug durchgeführt werden, um die Konvektion innerhalb der flüssigen Phase zu vermeiden. Der thermische Gradient zwischen den Warm- und Kaltzonen und die Geschwindigkeit können leicht angepasst werden, um die Wachstumsbedingungen der festen Phasen zu steuern. Wir werden nun sehen, wie diese Prinzipien in einem Experiment mit einem zonenschmelzenden GerichtetenErstarrungsofen angewendet werden.

Nehmen Sie zunächst ein 30 cm langes Pyrex-Rohr mit einem Außendurchmesser von 8 mm. Wählen Sie ein 100-Mikron Chromel Alumel Thermoelement, das mit einem 0,1 cm großen Doppelbohrmullschutzrohr überzogen ist und dessen Spitze mit einer Bornitridschlämme beschichtet ist. Legen Sie das Thermoelement vorsichtig in das Pyrex-Rohr ein. Als nächstes wiegen Sie die Legierungsproben und legen Sie sie in einen Tiegel. Lassen Sie den Tiegel in einem Ofen, bis die Legierung geschmolzen ist. Befestigen Sie eine Glühbirne am Ende des Pyrex-Rohrs, dann verwenden Sie die Glühbirne, um Absaugung aufzutragen und ziehen Sie die Schmelze in das Glasrohr. Die im Inneren der Röhre ausgebildete Rode wird in unserem nächsten Experiment verwendet.

Platzieren Sie die Probe in dem eigens für die vertikale Erstarrung entwickelten und entwickelten Gerät. Dieser Aufbau besteht aus einem Ofen, der zwischen zwei Kühlsystemen eingeklemmt ist. Der Abstand zwischen dem Heizelement und der folgenden Cho Zone wird auf 0,5 cm festgelegt. Schließen Sie das Thermoelement an das Datenerfassungsmodul an, und schließen Sie es dann an den Computer an. Von unten nach oben, gehen Sie zu einem vertikalen Lauf des Ofens. Zeichnen Sie die Laufzeit auf und bestimmen Sie die Geschwindigkeit der Ofenbewegung entlang des Pyrex-Rohrs. Bestimmen Sie den thermischen Gradienten, indem Sie die Differenz zwischen der Temperatur der geschmolzenen Legierung im Ofen und der Temperatur in der Kühlzone nehmen.

Brechen Sie zunächst das Glasrohr, um diese Probe zu entfernen. Verwenden Sie die Bandsäge, um die Probe in die gewünschte Länge zu schneiden, und montieren Sie die Probe dann mit Epoxidharz. Fahren Sie in den folgenden Schritten mit dem Polieren der Probe fort. Verwenden Sie zunächst ein Siliziumkarbidpapier der Klasse 600, dann polieren Sie es mit einem Siliziumkarbidpapier der Klasse 800 und schließlich mit der Klasse 1200. Verwenden Sie nun Alumina Abrasive Particles, um das Polieren zu beenden. Verwenden Sie in der Reihenfolge Partikel mit 3 Mikron, 1 Mikron und 0,05 Mikrometern. Die Probe kann nun durch Bildgebung ihrer Mikrostrukturen analysiert werden. Mit Hilfe eines optischen Mikroskops werden Bilder einer Blei-55-Cadmiumlegierungsprobe in Längs- und Querachsen gewonnen. Es werden Mikrostrukturen aufgedeckt, die aus der Richtungszonenschmelzerung stammen.

Werfen wir nun einen Blick auf die erhaltenen Bilder. Längs- und Quermikroskope von Blei-55-Cadmiumlegierungsproben zeigen zusammengesetzte Mikrostrukturen, die sich während der zonenschmelzenden Richtungserstarrung entwickeln. Diese Mikrostrukturen hängen vom thermischen Gradienten- und Geschwindigkeitsverhältnis ab. Zunächst sieht man bei einer Messung im niedrigen Verhältnis verzweigte Dendriten und Zellen der Alphaphase in der Matrix der Betaphase. Zweitens werden bei moderatem Verhältnis ausgerichtete, stabile, unverzweigte Mikrostrukturen der Alphaphase in der Matrix der Betaphase entwickelt.

Der Zonenschmelzgefrier-Richterieristenofen ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die Entwicklung stabiler Mikrostrukturen in Materialien für verschiedene Anwendungen zu steuern. Bei diesem metallurgischen Prozess bewegt sich der Ofen entlang der stabförmigen Probe und schmilzt einen schmalen Bereich des Festkörpers. Da die Verunreinigungen dazu neigen, sich innerhalb der Schmelze zu trennen, werden sie an ein Ende der Probe verschoben, zusammen mit der sich bewegenden geschmolzenen Zone. So wird der Zonenschmelze-Richterierofen routinemäßig in der kommerziellen Legierungsraffination eingesetzt. Die Solarmodultechnologie nutzt auch Legierungen mit stabilen Festphasen. In der Tat sind hochwertige Halbleiter unerlässlich, um eine längere Schüttzeit zu gewährleisten und die Effizienz von Solarzellen zu erhöhen.

Sie haben gerade JoVeTs Einführung in die Richtungserstarrung und Phasenstabilität beobachtet. Sie sollten nun verstehen, wie die Mikrostrukturentwicklung in Materialien mit einem richtungsweisenden Erstarrungsofen gesteuert wird, basierend auf dem Zonenschmelz- und Gefrierprinzip. Danke fürs Zuschauen.

Results

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.

Applications and Summary

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.

Transcript

Zone melting directional solidification is a metallurgical method employed to prepare stable phases in solid materials. During the solidification process, a melted alloy cools into various phases that form the solid. Using a directional solidification furnace, the process of phase formation and stabilization inside a solid material, is well controlled. This video will illustrate the principles of directional solidification and show how to apply them in the laboratory setting, to develop stable microstructures in a solid sample.

To begin, let us have a closer look at the process of solidification itself, which involves the cooling of a liquid. As the temperature decreases, particles of the liquid move slower and start to nucleate, to form what is called “the solid phase.” This principle is illustrated in a phase diagram that shows the different phases of the material as the temperature varies. In the vicinity of the solid-liquid interphase, the process of particle diffusion in the liquid occurs. This may cause mixing, and a convection current in the melt, leading to the formation of unstable microstructures. The alloy in this video is formed of two types of solid phases: an alpha phase, and a beta phase. In the particular case of a peritectic reaction, a solid phase alpha interacts with a liquid, to form a second solid-phase beta. At low growth rate, alternating bands of alpha and beta phases form.

This is called the “banding process.” The banding structure is the result of the oscillatory modes of convection inside the liquid. The composition range, the convection in the liquid, the nucleation temperature, and the growth velocity will dictate the characteristics of the banding results. These are defined by the width of the individual bands, the space between them, and their stability. Using a zone melting-freezing furnace in a vertical direction, is a neat way to control the solidification process. In this experiment, a solid is moved to the furnace where a liquid is prepared, then it is transferred immediately to a cooling zone that freezes the melted material. This transition can be performed rapidly enough to avoid the convection inside the liquid phase. The thermal gradient between the hot and cold zones and the velocity can be easily adjusted to control the growth conditions of the solid phases. We will now see how these principles apply in an experiment using a zone-melting directional solidification furnace.

First, take a 30cm long Pyrex tube, having an 8mm outside diameter. Choose a 100-micron Chromel Alumel thermocouple, covered in a 0.1cm double-bore mullite protection tube and having its tip coated with a boron-nitride slurry. Then carefully insert the thermocouple in the Pyrex tube. Next, weigh the alloy samples and place them in a crucible. Leave the crucible inside a furnace until the alloy is melted. Attache a bulb to the end of the Pyrex tube, then use the bulb to apply suction and draw the melt into the glass tube. The rode formed inside the tube will be used in our next experiment.

Place the sample inside the custom-built apparatus specifically designed and developed for vertical solidification. This setup consists of a furnace sandwiched between two cooling systems. The distance between the heating element and the following Cho Zone is set at 0.5cm. Connect the thermocouple to the data acquisition module and then connect this module to the computer. From the bottom to top, proceed to a vertical run of the furnace. Record the run time and determine the velocity of the furnace movement along the Pyrex tube. Determine the thermal gradient by taking the difference between the temperature of the melted alloy inside the furnace, and the temperature in the chill zone.

First, break the glass tube to remove this sample. Use the band saw to cut the sample into the desired length, and then mount the sample using epoxy resin. Proceed to polishing the sample in the following steps. First, use a silicon-carbide paper of grade 600, then polish with a silicon-carbide paper of grade 800, and finally of grade 1200. Now use Alumina Abrasive Particles to finish the polishing. Use, in order, 3-micron, 1-micron, and 0.05-micron size particles. The sample is now ready to be analyzed by imaging its microstructures. Using an optical microscope, images of a lead-55 cadmium alloy sample are obtained in longitudinal and transversal axes. Microstructures are revealed, which originate from directional zone melting solidification.

Let’s now take a look at the images obtained. Longitudinal and transverse micrographs of lead-55 cadmium alloy sample show composite-like microstructures develop during zone-melting directional solidification. These microstructures depend on the thermal gradient and velocity ratio. First, from a measurement at low ratio, one sees branched dendrites, and cells of alpha phase, in the matrix of beta phase. Second, at moderate ratio, aligned, stable, unbranched microstructures of alpha phase in matrix of beta phase are developed.

The zone melting freezing directional solidification furnace is a powerful tool to control the development of stable microstructures in materials for various applications. In this metallurgical process, the furnace moves along the rod-shaped sample and melts a narrow region of the solid. Since the impurities tend to segregate inside the melt, they are moved to one end of the sample, along with the moving molten zone. Thus, the zone melting freezing directional solidification furnace is routinely used in commercial alloy refining. The solar panels technology also takes advantage of alloys with stable solid phases. In fact, high quality semi-conductors are essential to ensure longer bulk lifetime and increase the efficiency of solar cells.

You’ve just watched JoVE’s introduction to directional solidification and phase stability. You should now understand how microstructure development in materials is controlled with a directional solidification furnace, based on the zone melting and freezing principal. Thanks for watching.