Gerichtete Erstarrung und Phasenstabilisierung

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.