הבנת המעברים בשלבי פריחה גבוהה Alloys

⁇ הנדסה גבוהה-temperature חייב לשמור שלמות מבנית תחת לחץ תרמי מכני ממושך. ניקל מבוסס Superalloys, titanium אלומיניום אלומיניום אלומיניום אלומיניום אלומיניום אלומיניום, פלדה מתקדמת הם לעתים קרובות נתון לטמפרטורות מעל 600 מעלות צלזיוס ב טורבינות גז, מנועי רקטות, וכורים גרעיניים. at אלה קיצונים, יציבות בשלב למשול ההתנגדות, עייפות, והתנהגות חמצון.

טכניקות ספציפיות מציעות חלון ייחודי לתוך שינויים אלה.בניגוד לשיטות מרובות של אי-הממשלה (למשל, סריקת קלוריות סריקה שונה), ספקטרוסקופיה יכולה לפתור אג"ח בקנה מידה אטומי, תיאום מקומי, וסדר קריסטלוגרפיה. מאמר זה סוקר את שיטות הספקטרום הראשי ללא פיקוח על שינויים בשלב בסגסוגת של זמן גבוה, לדון על חוזקם המעשי ומספק LTF אמיתי לוכדת את הגישות של 1K הנכון על בסיס ⁇ .

יסודות של טרנספורמציות שלב באלוויס

טרנספורמציה בשלב בסגסוגת כוללת שינוי במבנה קריסטל, ההרכב הכימי, או שניהם.דוגמאות נפוצות כוללות את ה ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ניקל superalloys, המעבר αmβ ב ⁇ טיטניום, ואת המשקעים של carbides או intermetallics. כוח הנהיגה הוא בדרך כלל צמצום באנרגיה חופשית גיבס, אבל הקינטיקה נשלטים על ידי diffusion ו nucleation יכול לזהות את המשקעים אלקטרוניים (Ratray) על ידי תצוגת טביעת אצבע חדשה).

עבור ⁇ עתירה גבוהה, האתגר הוא לבצע המדידות האלה בעוד הדגימה היא חמה, לעתים קרובות חמצון או צמצום הסביבה. Furnaces, חימום לייזר, ושלבי חימום ריצה משולבים במערכות ספקטרוסקופיות כדי לאפשר תצפית רציפה במהלך חימום, קירור, או הוא אחרמל מחזיק.ההנתונים וכתוצאה מכך מאפשרים בנייה של זמן-tempture-tempture-formation (TT) וניתן לחשוף דיאגרמות בשלבים מהירים שאבדו במהלך חימום.

טכניקות ספציפיות

X-ray Diffraction (XRD)

דיפרקציה רנטגן נשאר עבודת זיהוי בשלב בחומרים גבישיים.כאשר האירוע X-ray גל סאספיס חוק של Bragg, התערבות קונסטרוקטיבית מייצרת דפוס של שיאים שעמדותיהם ואטנסים אופייניים לתאי היחידה. בטמפרטורה גבוהה, ה- lattice מרחיב, כך ששינויים שיא מצביעים על התרחבות תרמית; הופעתה של שיאים חדשים שלב מודרני של אותות כגון piractices) יכול להפעיל את כלי חום גבוה יותר.

(FLT:0)Strengthsib: 1FLT:1 זיהוי גבישי ישיר; בקלות לכמת (חלק קטן של שלבים באמצעות זיכוך ריקבון), החל מחומרים גדולים אבקות.

(FLT:0) התחייבויות: 1) רגישות ירודה לשלבים אמורפיים; דורש סדר תקופתי; הכנת הדגימה (משטח מנופח או כרוב) יכולה להיות מורכבת עבור ⁇ תגובתית; חפיפה גבוהה במערכות מרובות-phase עשוי לסבך ניתוח.

דוגמה ל-FLT:0in situFLT:1ig יישום XRD הוא מעקב אחר פירוק שלב ה- ⁇ (NiveFLT:2FLT 3:2FLT 3:(Al,Ti) במהלך טיפול חום של CMSX-4alloy.The (100) עלה בהדרגה כשלב המצוין חוזר לדלקת מופרכת מעל 1270 מעלות צלזיוס, אשר עדיין פועל ב-C.

ראומן Spectroscopy

(ב) עיין ב[[1924]] ב[[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1966]]]]]], [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]] [[1924]] [[1924]] [[[[1966]] [[1924

ראמאן גם מזהה שלבים מבוססי פחמן (במחשבות מלט (WC-Co), את הטרנספורמציה של WC ל- WFLT:0.203FLT:1C ובסופו של דבר ל- W ניתן לעקוב בטמפרטורות מעל 1000 מעלות צלזיוס.הטכניקה אינה מגע ודורשת הכנה מינימלית של דגימות, אך הרגישות שלה מוגבלת למיקרונים הראשונים של פני השטח.

(FLT:0)Strengthsib: 1FLT 1 מיקרו-scaleרזולוציה מרחבית (~ 1 μm); פועל תחת אוויר, ואקום או גז מבוקר; משלימים ל- XRD עבור שלבים גבישיים חרפיים או עניים.

(ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ (ב) ⁇ (ב) ⁇ (התח): ⁇ (ה) ממאכל הגויים נדירים יכולים לחדור את האות; לא מתאים לשלבים קבורים אלא אם כן הסגסוגת שקופה (וזה נדיר).

Infrared (IR) Spectroscopy

(ב) מדדי ספקטרום (spectroscopy) של אור אינפרא אדום עקב מעברים תנודתיים מודרניים.כמו ראמאן, IR משמש בעיקר עבור oxides ותרכובות ולא את המריצה המתכתית עצמה.בסגסוגת של זמן גבוהה, diffuse-reflectance IR (DRIFT) או השתקפות של IR יכול להיות מועסק כדי לחקור את הצמיחה של מוצרי קורוזיאונדציה גבוהה, לדוגמה: F2 ° C2 LT (R) נמוך יותר מ-R2 LT) או LT2 LT) או LT2 LT2 ⁇ צהובה) או LT2 LT 1F2 ⁇ צהובה 1D) או LT) או LT2 ° C2 LT) או ⁇ צהובהגמנטאלימה (D) או LT 1 LT 1D) או LT2 LT2 צהובה) או ⁇ צהובה) או ⁇ צהובה 1D) או LT2 ° CUL) או ⁇ צהובהת משקל נמוך יותר מאשר ⁇ צהובה) או ⁇ צהובהת משקל רחב יותר מאשר LT2 צהובה 1 ⁇ צהובה 1D) או

(FLT:0)Strengthsib: 1FLT (המצוין בזיהוי קבוצות פונקציונליות (למשל, OH, CO, Si-O); רכישה מהירה; ניתן לשלב עם thermogravimetry (TG-IR) כדי לתאם שינויים המוניים עם גזים מפותחים.

(FLT:0) התחייבויות: התערבות חזקה מרקע תרמי מעל -600 מעלות צלזיוס; מוגבל על פני השטח או ניתוח פילים דק; פתרון מרחבי נמוך יותר מאשר ראמן אלא אם כן מיקרוסקופ מחובר.

ניוטרון Spectroscopy

טכניקות Neutron - פיזור ופיזור - הם בלתי נסבלים עבור מחקרים גדולים כי נויטרונים חודרים עמוק לתוך רוב המתכות (עד כמה ס"מ) הרגישות שלהם לאלמנטים קלים (למשל, מימן, חמצן, פחמן) ואת היכולת שלהם להבחין איזוטופים לעשות ספקטרום נויטרונים רב עוצמה ל XRD.

מקורות נויטרונים גבוהים כמו מקור ספאלציה Neutron (SNS) במעבדה הלאומית Oak Ridge או המכון לוּ-Langevin (ILL) בצרפת מאפשרים ניסויים מסולקים בזמן של מדידות של שניות. יישום טיפוסי הוא לאחר המשקעים של Nb(C,N) בפלדות מיקרו-מטופות במהלך גלגול חם.

(FLT:0)Strengths: FLT:1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(FLT:0) התחייבויות: 1.10.10.1 דורש כור או מקור ספיעה (גישה מוגבלת); יקר ושעה-consuming; דגימות המכילות תאים חמים עשויים להיות נחוצים לחומרים מופעלים; לשטף נמוך יותר מאשר לסנכרונכרן X-rays אפילו עבור מקורות בהירים ביותר.

טכניקות מבוססות סינכרון (XANES, EXAFS, SAXS)

מתקני סינכרונכרון מודרניים מרחיבים את היכולות של שיטות רנטגן קונבנציונליות.x-ray ספיגת ליד מבנה פסגה (XANES) ומבנה ספיגת רנטגן (EXAFS) בודק את הסביבה האטומית המקומית סביב אלמנט מסוים. על ידי כוונון האנרגיה של האירוע עד קצה הקליטה של, למשל, כרום או molybdenum, החוקרים יכולים לקבוע את מצב החמצן, מספר התיאום, ומרחק בין-ה הוא מוקדם מדי.

פיזור רנטגן קטן (SAXS) מספק מידע על הגודל, הצורה, ונפח של חלקיקים בגודל nano-scale (1–100 nm) ב Superalloys ניקל, SAXS שימש כדי למדוד את שיעור הקידוד של חלקיקים ⁇ במהלך ההזדקנות. כאשר בשילוב עם XRD, תמונה מלאה של המיקרו-אטומי לקשקשים - מ- micrometersem - דרישות קבועות עבור שגרה.

יתרונות השוואתיים ובחירת קריטריה

אף טכניקה אחת של ספקטרוסקופית אינה מספקת את כל התשובות.השולחן מתחת לסכמת את ה- Trading-offs:

  • (FLT:0)XRD (lab)FLT:1 - הטוב ביותר עבור זיהוי שלב שגרתי של רוב גבישי.צריך עבודות תקופתיות - 1600 מעלות צלזיוס.
  • (FLT:0)XRD (סנכרון)FIRLT:1) - Ultra-fast, High resolution, micro-focus. אידיאלי עבור מחקרים קינטיים וסרטים דקים.
  • (ב) ,0) ,RamanveFLT:1 - רגישות על פני השטח, טוב עבור תחמוצות ו carbides. מיפוי בקנה מידה מיקרו.
  • (ב) ,0)Neutronפיזור פיזור של 1:1 - בדיקה בבולק, רגיש לאלמנטים קלים, מעברים מגנטיים נדרשים מתקן גדול.
  • (ב) [15] ⁇ /EXAFSFLT:1 ; הסביבה המקומית סביב אלמנט נבחר פועל עבור שלבים amorphous או ננו בקנה מידה.

כאשר מתכננים ניסוי, לשקול את טווח הטמפרטורה, את האופי של השלב (קריסטלליין לעומת amorphous, מתכתי לעומת קרמיקה), את עומק הניתוח הנדרש, ואת ההחלטה זמן נדרש. לדוגמה, אם המטרה היא לזהות את פירוק של שלב קטן carbide בסופרבולוי מסחרי במהלך טיפול חום של 10 שעות, מעבדה XRD עם שלב חם הוא הבחירה הפשוטה ביותר אם RXL הוא לעתים קרובות יותר גבוה, או nxide.

מעקב בזמן אמת: Instrumentation and Data Analysis

מודרני ספקטרום ספקטרום גבוה spectroscopy מסתמכ על שלבים מיוחדים. עבור XRD, אנטון Paar ו Bruker מציעים החזקות פרווה כי להגיע 1600 מעלות צלזיוס עם אווירה מבוקרת (Ar, N2, H2, O2). המדגם הוא בדרך כלל רכוב על רצועה שטוח או בתוך מכסה טיפות עיניים. רכישת נתונים יכול להיות רציף (שלבים) או מהיר (גלאי).

ניתוח נתונים כולל דפוס תואם את השלבים הידועים (ICDD, ICSD מסדי נתונים) עבור XRD, Rietveld הזיכוך הקוונטים שלב שבריריות ופרמטרים ל- lattice כתפקוד של טמפרטורה, המאפשר בניית תרשים שלב. עבור XANES, שילוב ליניארי המתאים קובע את שיעור כל מדינה חמצון. for Raman, מהפכת (EV, VOLSig, או פרופיל מיוחד של DAS) הוא , כגון GASCLC, הוא חפיפותחף.

רזולוציה של זמן היא פרמטר מפתח. at aSynchrotron, דפוס XRD מלא ניתן לאסוף כל 10 מ 's, המאפשר תצפית של שינויים דרמטיים מהירים פלדה. in a מעבדה diffractometer, דפוס טוב עשוי לקחת 5-30 דקות, הגבלת מחקרים כדי לאט שינויים דיפרנציטיביים.

מקרה מחקרים

Gamma-Prime Coarsing in a Single-Crystal Ni-Superalloy

חוקרים במעבדה החומרית של ESA-ESTEC השתמשו ב- ⁇ :0in situFLT:1 SAXS ו- XRD ב- European Synchrotron (ESRF) כדי לפקח על ⁇ ⁇ ⁇ SX במהלך ההזדקנות בשלב 950 מעלות צלזיוס.הם הבחינו כי גודל החלקיקים עקב tFLT:21/3FLT 3:3, לאשר את הפירוק של פיזור ה-fcali, אשר היה בשימוש בדגמיקודד בדגמי ה- ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 950 מעלות צלזיוס.

Oxide Scale על פלדה ללא ספק

(ב) שילוב של ראומן ספקטרום וסנכרן XRD הוחל ללמוד את החמצן של פלדה AISI 310S באוויר ב 800-1000 מעלות צלזיוס, ראמאן הראה כי הסקאלה הראשונית הייתה תערובת של hematite ו chromia; לאחר 20 h, romia שיאs נשלט, המציין שכבה מגן.

Hydride Formation in Zircaloy (Nuclear Cladding)

Neutron diffraction מתאים ייחודי ללימוד מימן במכות. in Zircaloy-4 cladding בשימוש בכורי מים מחוננים, ניסויים נויטרונים ב ILL עקב המשקעים של ⁇ ZrHFLT:01.66FLT:1 hydrer כאשר מימן הוצג ב -400 מעלות צלזיוס.

כיוונים עתידיים

שני מגמות מתעוררות דוחפות את הגבולות.הראשון הוא שילוב של ספקטרוסקופיה עם כלים אחרים אפיון.לדוגמה, בו זמנית XRD + Raman באותו תא מאפשר מתאם ישיר בין מבנה גבישי לבין רטט מולקולרי.השני הוא ניתוח נתונים מאויש מכונה-למידה. רשתות עצביות יכולות לזהות מעברים מתבניות ללא הטיה אנושית, והם יכולים להיות מאומנים לאימון בזמן בקרה אמיתי של חום-טיפול פרווה.

ברמת המכשיר, מקורות רנטגן מבוססי מעבדה עם פלוקס גבוה יותר (דלודות דליות) הם צמצום הפער עם סינכרונכרנים.בינתיים, מערכות ראס ו- XRD ניידות עושים בדיקה שדה של רכיבים בשירות סביר, למרות שגרסאות גבוהות של זמן עדיין נדירות.

המלצות מעשיות

עבור מהנדסים וחומרים מדענים הגדרת ניסוי שינוי שלב בטמפרטורה גבוהה:

  • התחל עם חישוב תרמודינמי יסודי (CALPHAD) כדי לחזות שלבים יציבים וטמפרטורות טרנספורמציה.זה מדריך עיצוב ניסיוני.
  • אם השלבים הם גבישי ופשוט, להתחיל עם מעבדה XRD באמצעות שלב חם.להבטיח מגע תרמי טוב ולהשתמש באווירה מגן אם חמצון הוא דאגה.
  • כאשר מתמודדים עם שלבים משניים או בגודל ננו, XANES/EXAFS או SAXS בסינכרון נדרש גם עבור מידע כמעט לאנטי.
  • עבור מחקרים תחמוצת פני השטח, ראמן היא הטכניקה הקלה ביותר. Pair זה עם SEM-EDS כדי לאשר את ההרכב.
  • אם הסגסוגת מכילה אלמנטים קלים (ראה:0) כלומר, ⁇ 1:1, H, Li, B) או אם מעברים מגנטיים הם עניין, לחפש גישה אל מדחרח נויטרונים.
  • במשך מחקרים על שינויים מהירים (שניים או מהירים יותר), סינכרון הוא האפשרות היחידה; להכין הצעת בגרות מפורטת המדגישה את ההשפעה המדעית.

מסקנה

טכניקות ספציפיותסקופיות הן הכרחיות להבנת שינויים בשלב בסגסוגת הנדסה גבוהה של זמן רב. X-ray diffraction נשאר שיטת הליבה של זיהוי קריסטלוגרפיה, בעוד ראמן ו- IR spectroscopy מצטיינים בכימיה של פני השטח. Neutron diffraction מציעה בדיקה רבה יותר עם רגישות לאלמנטים קלים, וסינכרון שיטות ספיגה המבוססת על ננומטרי וקיצור מידע מקומי על ידי שילוב של טכניקות קירור: