KINETYKA ROZPUSZCZANIA WARSTWY NIKLU POKRYWAJĄCEJ WŁÓKNA WĘGLOWE W CIEKŁYM STOPIE AlSi

Transkrypt

1 53/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, 15 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN KINETYKA ROZPUSZZANIA WARSTWY NIKLU POKRYWAJĄEJ WŁÓKNA WĘGLOWE W IEKŁYM STOPIE AlSi A. ZYSKA 1, Z. KONPKA 2, M.ISOWSKA-ŁĄGIEWKA 3, A. BOBER 4, S. NOUŃ 5 Katedra Odlewnictwa Politechniki zęstochowskiej, al. Armii Krajowej 19, zęstochowa STRESZZENIE Przedstawiono matematyczny opis rozpuszczania warstwy Ni na włóknach węglowych w ciekłej osnowie AlSi. Rozwiązano równanie dyfuzji dla układu walcowego, przyjmując założenie stacjonarności powierzchni międzyfazowej. Wyznaczono kinetykę procesu rozpuszczania w odniesieniu do kompozytów zbrojonych włóknami węglowymi o średnicy 7.5m z pokryciem Ni o grubości 0.25m. Wyniki obliczeń zweryfikowano badaniami transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Key words: diffusion, composite(s), carbon fiber(s) 1. WPROWADZENIE Zagadnienie wzajemnego oddziaływania składników w kompozytach i tworzenie silnych połączeń miedzy nimi może być analizowane w ujęciu termodynamicznym lub kinetycznym. W ujęciu termodynamicznym ocenia się oddziaływanie składników w kompozycie poprzez ocenę ich aktywności chemicznej i tworzenie możliwych wieloskładnikowych układów. W kompozytach istotne znaczenie odgrywają zjawiska powierzchniowe, stąd też rozwinięto znacząco termodynamikę układów dyspersyjnych. 1 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl 2 dr hab. inż., konopka@mim.pcz.czest.pl 3 mgr inż., cis@mim.pcz.czest.pl 4 mgr inż., bober@mim.pcz.czest.pl 5 mgr inż., nocun@mim.pcz.czest.pl

2 412 W rezultacie tych badań udaje się wyszukać takie układy stopów metali, które mogą tworzyć silne połączenia z niemetalicznymi fazami zbrojącymi w kompozytach, bądź można zaprojektować optymalne pokrycia na powierzchni włókien czy cząstek gwarantujące dobre ich zwilżanie i połączenie z osnową [1]. Ocena kinetyki oddziaływania składników sprowadza się głównie do wyznaczenia optymalnego czasu kontaktu składników kompozytu. zas kontaktu musi, z jednej strony, gwarantować uzyskanie silnego adhezyjnego połączenia, z drugiej zaś, nie może sprzyjać wystąpieniu intensywnego oddziaływania chemicznego między składnikami, które prowadzi do degradacji fazy zbrojącej lub wytworzenia kruchych faz i w efekcie osłabienia materiału [2]. W przypadku kontaktu stałej fazy zbrojącej (np. włókno) z ciekłą fazą osnowy optymalny czas kontaktu powinien spełniać następującą zależność [3]: t ad t t t k i d t z (1) gdzie: t ad - czas adhezyjnego połączenia, t k czas kontaktu, t i czas inkubacyjnego okresu dyfuzji, t d - czas dyfuzji, t z czas zarodkowania tworzących się faz. zas inkubacyjnego stadium dyfuzji jest czasem oczekiwania atomów do momentu obniżenia bariery energetycznej aktywacji ich przejścia przez powierzchnię międzyfazową. zas zarodkowania jest czasem tworzenia zarodków nowej fazy i zależy od przesycenia i przechłodzenia w danym miejscu fazy ciekłej. zas dyfuzji jest czasem transportu atomów w głąb cieczy metalicznej. Ten przypadek będzie rozwiązywany w niniejszym artykule w odniesieniu do rozpuszczania warstwy pokrycia niklowego na włóknie węglowym umieszczonym w ciekłym stopie AlSi. 2. MATEMATYZNY OPIS ROZPUSZZANIA WARSTWY NIKLU NA WŁÓKNIE W STOPIE OSNOWY Rozpuszczanie warstwy niklu z powierzchni włókna węglowego w ciekłym stopie AlSi jest kontrolowany procesem dyfuzji. W wyniku rozpuszczania niklu następuje nasycanie ciekłego stopu niklem i zmniejszanie grubości warstwy pokrycia na włóknie. Rozwiązanie problemu sprowadza się do wyznaczenia: pola stężenia Ni w ciekłej osnowie kompozytu, prawa przemieszczania się granicy międzyfazowej powłoka Niosnowa i ostatecznie obliczenie czasu całkowitego rozpuszczenia warstwy Ni z włókna. Przyjmuje się następujące założenia modelu matematycznego: - włókna mają kształt walca nieskończonego, a wówczas pole stężenia niklu w ciekłej osnowie AlSi jest osiowo-symetryczne, - włókna są równomiernie rozmieszczone w objętości, a ich udział objętościowy jest na tyle mały, że są one odizolowane od siebie i otoczone cieczą rozciągającą się do nieskończoności, - stężenie Ni w warstwie jest stałe w czasie rozpuszczania, na powierzchni międzyfazowej przyjmuje się warunek brzegowy I rodzaju określający stężenie Ni

3 413 w cieczy na tej powierzchni, przy czym jego wartość przyjmuje się w pierwszym przybliżeniu jako równowagowe. Pole stężenia Ni w stopie osnowy wyznacza się z rozwiązania równania dyfuzji wraz z warunkami granicznymi dla układu walcowego [4]: D 2 1 r r r 2 t (2) gdzie: D-współczynnik dyfuzji Ni w stopie AlSi, w obliczeniach przyjęty jako stały, - stężenie Ni, r- zmienna przestrzeni, t- czas r R,t I t 0 r, t 0 r R r, t t 0 (3) m (4) m (5) p dr I D (6) dt r rr gdzie: I - stężenie Ni na powierzchni, m - stężenie Ni w osnowie w ciągu całego procesu, p - stężenie Ni w powłoce, przyjęte jako stałe i niezależne od r i t, R- promień zewnętrzny powłoki Ni Rozwiązanie powyższego problemu można stosunkowo łatwo uzyskać przyjmując założenie stacjonarności powierzchni międzyfazowej (Stationary Interface) [5], co oznacza, że równanie (2) rozwiązuje się przy R=const. Założenie takie jest możliwe jeżeli współczynnik przesycenia określony równaniem (7) jest mały, k p I I m 2 (7) a R zmienia się bardzo wolno w czasie. Można powiedzieć, że pole stężenia nie zapamiętuje ostatniego ruchu powierzchni międzyfazowej. Rozwiązanie równania (2) z warunkami (3)-(5) ma postać: x, t m I m R r r R erfc 2 Dt r > R (8) Wstawiając rozwiązanie (8) do warunku (6) z uwzględnieniem (7) otrzymuje się równanie na prędkość przemieszczania się powierzchni międzyfazowej podczas rozpuszczania:

4 Grubość warstwy Ni, g Ni [10-8 m] dg/dt, [10-8 m/s] 414 dr dt k D 2R D πt (9) 3. WYNIKI OBLIZEŃ I ANALIZA Zgodnie z układem równowagi fazowej dla AlSi-Ni stężenie I równowagowe wynosi 0.08 przy temperaturze procesu 923K (650 0 ) i odpowiada linii rozpuszczania (tworzenia) fazy Al 3 Ni (ε). Przyjmując założenie m =0 i p =1 współczynnik k wynosi Równanie (9) przy powyższych warunkach można scałkować numerycznie, a rozwiązanie takie w odniesieniu do kompozytu zbrojonego włóknami węglowymi o średnicy 7.5m z pokryciem Ni o grubości 0.25m przedstawiono graficznie na rysunku dg/dt k = D = , m 2 /s g = f(t) czas, s Rys.1. Kinetyka rozpuszczania warstwy niklu na włóknie w ciekłym stopie AlSi Fig. 1. Kinetics of dissolving a nickel layer in the molten AlSi alloy Na podstawie wykonanych obliczeń można stwierdzić, że czas rozpuszczania warstwy niklu pokrywającej włókno węglowe w ciekłym stopie AlSi wynosi 184s, natomiast średnia szybkość procesu przyjmuje wartość ok m/s. zas kontaktu włókna z ciekłym stopem musi spełniać warunek (1), w którym czas inkubacyjnego okresu dyfuzji można wyznaczyć z równania [2]:

5 415 E E t t exp s c (10) i 0 2kT gdzie: T-temperatura, k-stała Boltzmana t 0 -częstotliwość drgań atomów, E s, E c energie aktywacji dyfuzji fazy stałej i cieczy Oszacowany dla badanego układu czas inkubacyjnego okresu dyfuzji wynosi około 80s i ostatecznie całkowity czas kontaktu włókien z ciekłym stopem kształtuje się na poziomie około 300s. Wartość czasu kontaktu należy traktować jako obowiązującą w technologii mieszania i przygotowania suspensji kompozytowej stop AlSi-włókna węglowe z pokryciem Ni. Zgodnie z równaniem (1) wyznaczony czasu kontaktu gwarantuje uzyskanie silnego połączenia adhezyjnego składników. W celu zweryfikowania opisu matematycznego wykonano badania (TEM+EDS) dla kompozytu AlSi13u2 z włóknami węglowymi HTA 5M81 (firmy Tenax o średnicy 7.5m z pokryciem Ni o grubości 0.25m) wytworzonych w warunkach wynikających z obliczeń. Wyniki obserwacji (rys. 2) wykazały, że w układzie kompozytowym następuje całkowite rozpuszczenie warstwy Ni i pojawienie się faz typu Al 3 Ni. Fazy te występują zarówno w postaci niezależnych wydzieleń w całej objętości osnowy jak również lokalnie wokół włókien węglowych. Włókna nie uległy degradacji, są odizolowane od siebie i równomiernie rozmieszczone w osnowie. Al Ni Rys. 2. Mikrostruktura (TEM+EDS) kompozytu AlSi13u2-WW z poryciem Ni, pow. 2000x Fig. 2. (TEM+EDM) microstructure of AlSi13u2- NI composite, magn. 2000

6 416 LITERATURA [1] M.F. Ashby, D.H. Jones, Materiały inżynierskie-kształtowanie struktury i własności, dobór materiałów, WNT, Warszawa [2] L.J.Brautman, P.H.Krock, Modern composite materials, Acad. Press., [3] M.H. Szorszorow, Voloknistyje kompozicionnyje materialy s metaliceskoj matricej, Masinostroenie, Moskva, [4] Z.M. Jarzębski, Dyfuzja w metalach, PWN, [5] H.B. Aaron, G.R. Kotler, Second phase dissolution, Metall. Trans., Vol.2, KINETIS OF DISSOLVING A NIKEL LAYER OATING ARBON FIBERS IN THE MOLTEN AlSi ALLOY SUMMARY Mathematic description of dissolving the Ni layer coating carbon fibers dipped in the molten AlSi matrix has been presented. Assuming the stationary interface, the diffusion equation for the cylindrical system has been solved. The kinetics of the dissolving process has been determined with regard to composites reinforced with carbon fibers of 7.5 μm diameter coated with 0.25 μm thick Ni layer. alculated results have been verified by TEM examination. Recenzował Prof. Józef Gawroński