Explorando fenômenos de interface para ligas de níquel-tungstênio mais duráveis e eficazes
A interdifusão de Ni e W resulta na formação de Ni4 W como uma camada intermetálica. Na interface entre o Ni4 Camada W e fase Ni, vazios de Kirkendall são observados. Crédito:Minho Oh A liga é um processo chave na criação de novos materiais. Ao combinar metais com características desejáveis, os cientistas podem produzir ligas com propriedades adequadas. Por exemplo, o aço inoxidável, formado pela combinação de ferro com cromo, níquel e outros elementos em quantidades menores, é altamente resistente à corrosão.
Uma classe de liga de particular interesse para aplicações militares são as ligas de níquel-tungstênio (Ni-W). Essas ligas possuem alta durabilidade, o que as torna úteis como revestimentos. Como Ni e W possuem propriedades diferentes, sua interface de união forma camadas únicas onde compostos intermetálicos (IMCs) e regiões de recristalização induzida por difusão (DIR) são formadas através de processos como difusão e reações interfaciais.
Estas regiões exibem comportamentos mecânicos, térmicos e químicos significativamente diferentes em comparação com o resto da liga. Portanto, compreender as propriedades dessas interfaces é um aspecto importante no projeto de ligas com propriedades adequadas.
Agora, pesquisadores liderados pelo professor assistente Minho Oh do Instituto de Tecnologia de Tóquio e incluindo o professor Hee-Soo Kim, atualmente na Universidade Chosun, na Coreia do Sul, revelaram como várias fases, incluindo IMCs, são formadas dentro de uma liga Ni-W. Suas descobertas foram publicadas no Journal of Alloys and Compounds pode ser valioso no desenvolvimento de ligas Ni-W que duram mais e são mais eficazes como revestimentos.
“Os insights de estudos de IMCs e camadas intermediárias formadas por difusão na interface Ni/W têm o potencial de melhorar significativamente a eficácia e a longevidade de materiais importantes em vários campos”, diz Oh.
Para examinar a interface Ni/W, os pesquisadores colocaram uma folha W entre duas placas de Ni. Eles então aqueceram a amostra a 1123 K por 112 horas para estimular a difusão, seguida de recozimento na mesma temperatura por 234,15 horas.
Posteriormente, os pesquisadores analisaram a morfologia e as composições químicas da interface por meio de técnicas experimentais. Eles analisaram as concentrações de Ni e W em cada fase da seção transversal do material, bem como os tamanhos dos grãos das regiões formadas na interface.
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A formação de vagas de Kirkendall depende da diferença entre as difusividades do níquel e do tungstênio. Crédito:Minho Oh, Instituto de Tecnologia de Tóquio
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Na região DIC, os átomos de W se difundem na matriz de Ni por meio da difusão nos limites de grão. Crédito:Minho Oh
Além disso, os pesquisadores desenvolveram um modelo de difusão que considerava as taxas de difusão de Ni e W tanto no metal a granel quanto em diferentes regiões de interface para explicar a formação dessas regiões de interface.
A análise deles revelou que a interdifusão de Ni e W resulta em uma camada IMC de Ni4 W, que cresce bidirecionalmente em direção às placas Ni e W. Os átomos de W continuam a se mover para a matriz de Ni, formando uma região recristalizada induzida por difusão (DIR) entre a matriz de Ni e a camada IMC. Notavelmente, tanto o Ni4 W IMC e a região DIR exibem uma estrutura policristalina.
A região DIR não é uma fase individual, mas uma região de solução sólida dentro da fase Ni. É caracterizado pela presença de grãos alongados em formato colunar que facilitam a difusão dos átomos de W nos limites dos grãos.
Na região DIR, o desequilíbrio nas taxas de difusão de Ni e W faz com que vazios de formato irregular, conhecidos como vazios de Kirkendall, se formem perto da interface entre Ni e DIR na região DIR. Notavelmente, as interfaces que consistem na região DIR, IMC e vazios influenciam a resistência e as propriedades térmicas do material.
"Essas descobertas não apenas avançam nossa compreensão da região DIR resultante da formação e difusão do IMC na interface Ni/W, mas também oferecem insights cruciais sobre o fenômeno da geração de vazios de Kirkendall e o mecanismo de formação de defeitos na região DIR do sistema metálico ", diz Ó.
"Esta abordagem integrada melhora nossa compreensão da termodinâmica e cinética no par de difusão Ni-W, avançando o conhecimento crucial para a ciência de materiais de alta temperatura."
