Untersuchungen der Hochtemperaturbenetzung und Grenzfächeninteraktionen in Flüssigmetall/Übergangsmetall-Diborid-Systemen werden durch die technologische Nachfrage nach qualitative hochwertigen Metall-Matrix-Kompositen und verläßlichen Verbindungen von Ultrahochtemperaturkeramiken für aggressive chemische und/oder thermische Umgebungen angetrieben. Die physikalischen und chemischen Charakteristika der Metall/Keramik-Grenzflächen (z.B. die Benetzungskinetik, Grenzflächenreaktionen und die Phasenbildung) sind unerläßlich um die fundamentalen Mechanismen, die kontrollierenden technologischen Parameter, sowie die definierenden Eigenschaften und die Qualität des Endprodukts zu verstehen.
Die Methode des liegenden Tropfens (engl. sessile drop method) ist die am häufigsten verwendete Verfahren für die quantitative Charakterisierung der Benetzungseigenschaften und für die direkte Untersuchung von Grenzflächeninteraktionen zwischen Flüssigmetall und festen Substraten unter Zuhilfenahme von Mikroskopie. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Hochtemperaturbenetzung und den Grenzflächeninteraktionen von geschmolzenen reinem Al und Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Schmelzen mit der TiB2 Ultrahochtemperaturkeramik. Die über die Methode des liegenden Tropfens hergestellten Metall/Keramik Verbunde werden hauptsächlich mittels Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie sowie Röntgenbeugung untersucht.
Die temperatur- und zeitabhängige Benetzung von flüssigem Al auf der TiB2 Keramik wurde mittels der klassischen Technik des liegenden Tropfens und der sogenannten dispensed drop technique (engl.) über einen weiten Temperaturbereich untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass mit ansteigender Temperatur die Benetzung bedeutend schneller abläuft. Die beiden Methoden liefern einen Unterschied in der Benetzungstemperatur von etwa 300°C aufgrund der nativen Oxidschicht auf der Al-Oberfläche bei dem klassischen Sessile-drop Versuch. Beginnend bei 1000°C füllt das flüssige Al entweder die intergranularen Poren auf oder dringt entlang der Korngrenzen in das TiB2 Substrat ein. Es wurde keine Reaktion im Al/TiB2 System beobachtet.
Die Grenzflächeninteraktionen zwischen Ti-Al Schmelzen und der TiB2 Keramik wurden mit der klassischen Technik des liegenden Tropfens untersucht, da ein passender Tiegel für flüssiges Ti und Ti-haltige Schmelzen nicht vorhanden war. Für reines Ti auf TiB2 setzt das Schmelzen bei etwa 120 °C unter seinem Schmelzpunkt ein, wie aus Untersuchungen der Form und Struktur der erstarrten Ti/TiB2 Proben hervorgeht. Dies wird durch Festkörperdiffusion von B aus dem Substrat in die Ti Probe hinein und einer Verschiebung der Zusammensetzung von reinem Ti zu einer Ti-B Legierung in der substratnahen Region verursacht. Die Rolle von Al scheint für das Eindringen von Ti-Al Schmelzen entlang von Krongrenzen in das Keramiksubstrat von größerer Bedeutung zu sein als die Rolle der Temperatur.
Die Benetzung und Grenzflächeninteraktionen zwischen Ni-Al Schmelzen und TiB2 wurden mit dem dispensed drop Verfahren untersucht. Flüssige Ni-Al Legierungen zeigen deutlich unterschiedliche Benetzungsverhalten auf dem TiB2 Substrat in Abhängigkeit von Legierungszusammensetzung und Testbedingungen. Das Verhalten von Ni-Al Schmelzen auf TiB2 Keramik verändert sich von einem auflösenden, reaktiven Benetzen (engl. dissolutive, reactive wetting) auf der Ni-reichen Seite zu einem nicht-reaktiven Benetzen auf der Al-reichen Seite. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Ni-Gehalt in Ni-Al Legierungen eine Hauptursache für die Veränderungen der Substratauflösung und der geometrischen Konfiguration an der Metall/Keramik Grenzfläche ist. Um den Einfluss des Ni-Gehalts auf die Auflösung von TiB2 zu verstehen wurde das Schmelzen und Benetzen von Ni83B17 und Ni50B50 Legierungen auf der TiB2 Keramik mittels der klassischen Technik des liegenden Tropfens im Hinblick auf mögliches fügen von TiB2 Keramiken untersucht. Basierend auf den Benetzungstest wurden Zwischenschichten der Ni50B50 Legierung verwendet um TiB2 Keramiken zu Verbinden.
In dieser Arbeit wurde die Technik des liegenden Tropfens erfolgreich angewandt um die Hochtemperaturbenetzung und die Grenzflächeninteraktionen zwischen flüssigen Al, Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Legierungen und keramischem TiB2 zu untersuchen. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständis der Interaktionsmechanismen zwischen flüssigen Al, Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Legierungen und TiB2 keramik in diesen Systemen ermöglichen und Erstellung von Richtlinien für die Herstellung von Metall-Matrix-Verbunden und/oder Keramik-Matrix-Verbunden sowie für die Verbindung von keramischen TiB2 Teilen für strukturelle Hochtemperaturanwendungen dar. / Investigations of high-temperature wetting and interfacial interactions in liquid metal/transition-metal diboride systems are driven by technological demand in obtaining high-quality metal matrix composites and reliable joining of ultrahigh-temperature ceramics for aggressive chemical and/or thermal environments. The physical and chemical characteristics of metal/ceramic interface (e.g. wetting kinetics, interfacial reactions and phase formation) are indispensable for understanding the fundamental mechanisms, controlling technological parameters, and defining the properties and quality of final products.
The sessile drop method is the most commonly used for quantitative characterization of the wetting properties and direct investigations of the interfacial interactions between a liquid metal and a solid substrate with the help of microscopy. This thesis is focused on the high-temperature wetting and interfacial interactions of molten pure Al and Ti-Al, Ni-Al and Ni-B alloys with TiB2 ultra-high-temperature ceramic. The metal/ceramic couples after the sessile drop tests are mainly characterized using scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction.
The temperature- and time-dependent wetting between the liquid Al and TiB2 ceramic over a wide temperature range was investigated using the classical sessile drop and dispensed drop techniques. The results showed that the wetting was significantly accelerated with increasing temperature. A difference of the wetting temperature by these two techniques was about 300 °C, due to the native oxide film present on the Al surface in the classical sessile drop tests. Starting from 1000 °C, liquid Al either filled the inter-grain pores or penetrated along the grain boundaries of the TiB2 substrate but there was no reaction observed in the Al/TiB2 system.
The interfacial interactions between Ti-Al melts and TiB2 ceramic were studied by the classical sessile drop technique due to the absence of appropriate crucible for liquid Ti and Ti-containing melts. Pure Ti on TiB2 exhibited an incipient melting at about 120 °C below its melting point in view of the shape and structure of the solidified Ti/TiB2 couple. It was caused by the solid state diffusion of boron from the substrate into the Ti sample and a composition shift from pure Ti to a Ti-B alloy in the near-substrate region. In comparison to pure Ti, the role of Al in the penetration of Ti-Al melts penetration along the grain boundaries in the ceramic seemed to be more important than that of temperature in this study.
The wetting and interfacial interactions between Ni-Al molten alloys and TiB2 were investigated using the dispensed drop technique. Liquid Ni-Al alloys showed a strong dependence of the wetting behavior on the TiB2 substrates, both on the alloy composition and testing conditions. It changed from a dissolutive, reactive wetting on the Ni-rich side to a non-reactive wetting on the Al-rich side. The results suggest that Ni content in Ni-Al alloys plays a major role in the changes of substrate dissolution and geometrical configuration at the metal/ceramic interface. To understand the effect of the Ni content on TiB2 dissolution, the melting and wetting of Ni83B17 and Ni50B50 alloys on TiB2 ceramic were investigated using the classical sessile drop technique in view of possible joining of TiB2 ceramics. Based on the wetting tests, TiB2 ceramics have been joined using Ni50B50 melt-spun ribbon as an interlayer.
The results obtained in this work provide a better understanding of the interaction mechanisms in between liquid Al, Ti-Al, Ni-Al and Ni-B alloys and TiB2 ceramic and make basis for development of guidelines for the preparation of metal matrix composites and/or ceramic matrix composites and joining of TiB2 ceramic parts for high-temperature structural applications.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:30212 |
| Date | 08 March 2017 |
| Creators | Xi, Lixia |
| Contributors | Eckert, Jürgen, Asthana, Rajiv, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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