Makro- i mikrostruktura połączeń spajanych stopu AI z niklem wykonanych wiązką elektronową WPROWADZENIE W ostatnich latach rośnie zainteresowanie konstruktorów stopami na osnowie faz międzymetalicznych (FM), zwanych często intermetalikami. W technice wykorzystywane są głównie stopy typu Ti-, - oraz Fe-. Stopy te posiadają interesujące właściwości fizykochemiczne. Na przykład stopy Ti- charakteryzują się niską gęstością wynoszącą ok. 4-10 3 kg/m 3, stopy Fe- posiadają dużą odporność na utlenianie i korozję chlorkową, a stopy - mają wysoką wytrzymałość zmęczeniową i odporność na proces nawęglania [l-=-3]. Techniczne wykorzystanie faz międzymetalicznych do budowy maszyn i urządzeń coraz częściej wymusza poszukiwania optymalnych metod ich łączenia. Jako metody spawalnicze trwałego łączenia intermetalików należy wymienić przede wszystkim: metodę TIG (Tungsen Inert Gaś) oraz metody spawania laserem i wiązką laserową. W przypadku łączenia intermetalików za pomocą wiązki elektronów uzyskuje się korzystne właściwości połączeń, głównie ze względu na małą objętość spoiny i bardzo wąską strefę wpływu ciepła (SWC), co zapewnia małą niejednorodność struktury złącza spawanego. Gęstość mocy wiązki wynosi ok. 10 8 MW/m 2, a proces odbywa się zwykle w próżniowych komorach spawalniczych, przy czym spawanie może mieć miejsce w wysokiej (10" 6^10~ 3 Pa), średniej (10~ 3^lPa) lub niskiej próżni (1-^25 Pa). Charakterystyczna wąska spoina i bardzo mała SWC podczas łączenia w próżni sprzyjają zastosowaniu tej metody do łączenia wszystkich typów intermetalików [4]. ŁĄCZENIE WIĄZKĄ ELEKTRONOWĄ Do badań wykorzystano pręt z czystego niklu oraz pręt ze stopu na osnowie fazy międzymetalicznej o średnicy 8^-10 mm. Skład chemiczny materiałów wykorzystanych w badaniach przedstawiono w tablicy 1. Pręt czystego przetapiano wielokrotnie w atmosferze argonu w celu otrzymania stopu o wysokiej czystości 99,99 %. Stop na osnowie fazy międzymetalicznej 3 przygotowano poprzez topienie w piecu próżniowym indukcyjnym z odlaniem do formy grafitowej. Powierzchnia pręta została mechanicznie oczyszczona, wytrawiona, a czarne powierzchnie zeszlifowane. Technologia otrzymywania stopu została opisana w pracy [5]. Przygotowane pręty oraz zostały umieszczone piono- \u> w piecu elektronowym (tablica 1). W górnej części pieca umieszczono pręt ze stopu ze względu na jego niższą temperaturę topnienia. W komorze próżniowej utrzymywano ciśnienie 5 x 10 " 3 Pa. Połączenie zostało wykonane poprzez miejscowe topienie wiązką elektronową jednego końca pręta. Temperatura na końcu pręta była wyższa o 20-^30 C od temperatury likwidus, a temperatura końca pręta była niższa o ok. 100 C. Łączenie obu materiałów wykonano poprzez przesu- Dr inż. Janusz Adamiec (adamiec@polsl.katowice.pl), dr inż. Maria Sozańska - Katedra Nauki o Materiałach, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej; dr Monika Lesertova, prof. Ludmiła Hyspecka - Yysoka Skola Banska, Ostrawa, Republika Czeska Tablica 1. Skład chemiczny badanych prętów [% mas.] Table 1. Chemical composition of the bar [wt. %] Skład chemiczny [% mas.] a Stop 13,3 86,7 99,99 N p = 5x10'^ «3 i- 3 Na Wiązka nięcie pręta znajdującego się w dolnej części pieca do materiału roztopionego. Końce obu próbek zostały ze sobą zespolone, poprzez szybkie połączenie pręta z prętem wczasie 10 sekund. Następnie temperatura złącza została obniżona o około 1000 C. Nastąpiło szybkie krzepnięcie, co miało na celu zablokowanie procesów dyfuzji w obszarze łączenia. Dalsze chłodzenie do temperatury otoczenia było realizowane w próżni. Tak przygotowane połączenia wyżarzano następnie w próżni 5 x 10~ 3 Pa w temperaturze 1140 C przez 48, 96 i 192 godziny. BADANIA MAKROSKOPOWE Do badań metalograficznych wykorzystano próbki wycięte ze złączy. Próbki te były szlifowane na papierach ściernych o granulacji od 100 do 800, a następnie polerowane na pastach diamentowych. Do trawienia wykorzystano odczynnik złożony z 25 g CrO 3, 50 ml H 2 O, 150 ml HC1. Ujawnione makrostruktury wykonane przy powiększeniu 10 x przedstawiono na rysunku 1. W wykonanym połączeniu zaobserwowano polikrystaliczną strukturę wydłużonych kryształów kolumnowych niklu oraz dendrytyczną strukturę stopu (rys. la). e zaobserwowano wyraźniej strefy wpływu ciepła, co jest charakterystyczne dla technologii łączenia wiązką elektronów. Wąski obszar spoiny charakteryzował się wyraźną linią stopienia oraz niewielkim nadtopieniem ziaren. W próbce po wyżarzaniu w temperaturze 1140 C przez 48 h mikrostruktura niklu była równoosiowa i drobnoziarnista (rys. Ib). Również w obszarze zaobserwowano strukturę polikrystaliczną. Obserwacja makrostruktury w próbce po wyżarzaniu przez 96 godzin wykazała zorientowaną strukturę gruboziarnistą, a po 192 h wygrzewania strukturę równoosiowa. Natomiast struktura fazy międzymetalicznej uległa rozdrobnieniu i ukierunkowaniu wzdłuż osi pręta (rys. l c, d). BADANIA MIKROSKOPOWE Obserwacje mikrostruktury wykonano na mikroskopie świetlnym Neophot 32 przy powiększeniach od 25 x do 200 x oraz na skaningowym mikroskopie elektronowym Hitachi S-4200 przy NP 212004 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 751
Rys. 1. Makrostruktury złącza /: a) struktura wyjściowa Fig. 1. Macrostructuresofthe^/joint: a)theinltialstructureb)the połączenia, b) struktura po wyżarzaniu przez 48 h, c) struktura po structureafterannealingfor48h,c)thestructureafterannealingfor96h, wyżarzaniu przez 96 h, d) struktura po wyżarzaniu przez 192 h. d) the structure after annealing for 192 h powiększeniach od 100 x do 1000 x. Materiał w stanie wyjściowym był trawiony w roztworze zawieraj ącym 25 g CrO 3,50 ml H 2 0,150 ml HC1 przez 20 s. Po wyżarzaniu próbki trawiono tylko przez 10 s w celu uniknięcia roztrawienia brzegów pustek Kirkendalla, które przy silnym trawieniu ulegają znacznemu powiększeniu. Przykładowe mikrostruktury połączenia / przedstawiono na rysunku 2. W stanie wyjściowym wykonane połączenie / charakteryzowało się bardzo wąską strefą wpływu ciepła o grubości 20 H-60 /im (rys. 2a). Struktura połączenia spawanego prętów z odpowiadała strukturze stopu na osnowie fazy międzymetalicznej z pojawiającą się eutektyką y-y' (rys. 2b). Po wyżarzaniu w temperaturze 1140 C ujawniono zmiany mikrostruktury połączenia. Mikrostrukturę złącza po wyżarzaniu przez 48 h przedstawiono na rysunkach 2c i 2d, natomiast na rysunkach 2e i 2f pokazano mikrostrukturę połączenia po 96 h wyżarzania. Rysunki 2g oraz 2h przedstawiają mikrostrukturę ujawnioną na zgładach złącza wyżarzanego przez 192 h. Elementem charakterystycznym mikrostruktury otrzymanych połączeń po wyżarzaniu była obecność pustek Kirkendalla. Kształt pustek po krótkich czasach wyżarzania (48 h) był poligonalny, podczas gdy po dłuższych czasach (96 h i 192 h) brzegi pustek ulegały zaokrągleniu (rys. 2). Ponadto, w pobliżu linii połączenia zaobserwowano nadtopienie ziaren materiału rodzimego i równoczesny wzrost kryształów spoiny. W połączeniu napotkano również nieprawidłowości typu przyklejenia i nieciągłości (rys. 2e). Aby lepiej zrozumieć mechanizm zjawisk fizycznych zachodzących w połączeniach po wyżarzaniu analizowano udziały objętościowe fazy y' w pręcie wyjściowym wyżarzanym w temperaturze 800 C i 1000 C w zależności od czasu wyżarzania. Stwierdzono, że po 24 h wyżarzania w temperaturze 1000 C osiągnięto stan równowagi, w którym udział objętościowy fazy y' wynosił prawie 100% (rys. 3a) [6]. Analizując jednocześnie średnią średnicę ziarna w zależności od zmieniającego się stosunku udziałów objętościowych faz y' i y, można stwierdzić, że wraz ze wzrostem czasu wyżarzania oraz zmniejszaniem się udziału objętościowego fazy y następuje wzrost udziału objętościowego fazy y' (y 1 + y = 100%). Zjawisko to jest związane ze wzrostem średniej średnicy ziarna fazy y'. Można to wyjaśnić blokowaniem rozrostu ziarna fazy y' poprzez eutektykę y-y'- Proces rozrostu ziarna y' następuje po rozpuszczeniu się eutektyki [6]. Zjawisko to można zinterpretować następująco. Ponieważ strumień atomów aluminium J A1, jest większy od strumienia atomów niklu J,(rys. 4a), to różnica ich bezwzględnych wartości stanowi strumień wakansów J Y (rys. 4b). Powstawanie wakansów i ich kondensacja w pory są typowymi zjawiskami opisywanymi jako efekt Kirkendalla. Rysunek 4 przedstawia model efektu Kirkendalla w złączu dyfuzyjnym Nl 3 /. Jednak rzeczywisty proces powstawania pustek w tym złączu jest znacznie bardziej skomplikowany. Decyduje o nim nie tylko strumień dyfuzji atomów, ale również efekt przekształcenia uporządkowanej fazy o strukturze regularnej ściennie centrowanej w fazę nieuporządkowaną y-. Przesunięcie granicy rozdziału X K Kirkendalla (punktowanie) ma miejsce tylko w przypadku szybszej dyfuzji atomów w kierunku (rys. 4c) [5]. Obecność eutektyki w prętach (rys. 2a) nie wpływa na pojawienia się porów Kirkendalla. Czas wygrzewania niezbędny do rozpuszczenia tej eutektyki jest znacznie krótszy od 48 h (rys. 3 a), a tym samym nieistotny w badaniach efektu Kirkendalla (rys. 4). Występowanie efektu Kirkendalla potwierdza wakansowy charakter dyfuzji w złączu oraz określa kierunek dyfuzji, tzn. atomy pierwiastka o niższej topliwości na skutek większej amplitudy drgań łatwiej wymieniają się z wakansami niż atomy pierwiastka o wyższej temperaturze topnienia (rys. 4d). Dyfuzja masy występująca w złączach dyfuzyjnych powoduje zmiany objętości i jest źródłem naprężeń wewnętrznych, które powstają w strefie dyfuzji. Przemieszczenie masy powoduje również tworzenie się pustek po stronie połączenia bogatszego w atomy metalu niżej topliwego. Wynika stąd, że wakansy powstają po jednej stronie złącza dyfuzyjnego i znikają po drugiej. Zjawisko to 752 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXV
30 p - Rys. 2. Miktrostruktury złącza / wykonanego wiązką elektro- Fig. 2. Microstructures ofthe ^/joint welded by electron beam: a) nową: a) stan wyjściowy złącza /; b) stan wyjściowy w obszarze the initial state ofthe ^/, b) the initial state in the region of^, ; c,e,g) połączenie po wyżarzaniu w temperaturze 1140 C od- c,e,g) the joint after annealing at 1140 C for respectively: 48, 96,192 h, powiędnie przez 48, 96 192 h; d,f,h) obszar występowania efektu d/,h) the rangę of Kirkendall effect after annealing at 1140 C for Kirkendalla po wyżarzaniu w temperaturze 1140 C odpowiednio przez respectively: 48, 96, 192 h 48 h, 96 h i 192 h. jest bardzo istotne przy projektowaniu parametrów spawania uległa przesunięciu w kierunku, a tendencję do grupowania i obróbki cieplnej elementów oraz konstrukcji ze stopów na się pustek po granicach ziaren w obszarze nowo powstałej fazy osnowie faz międzymetalicznych (rys. 2). y zaobserwowano już po wygrzewaniu w czasie 48 h. Obser- W złączu / wzrost pustek oraz ich koagulacja na- wowano również w tym obszarze zwiększoną koalescencję pustek stępowała wraz ze wzrostem czasu wyżarzania (rys. 2d, f, h). Po Kirkendalla układających się przeważnie w kierunku prostopadłym wygrzewaniu, początkowa granica rozdziału / (y'/y) do osi złącza, czyli w kierunku strumienia wakansów (rys. 2e) [6]. NR 212004 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 753
a) 100-99- '24 h T=1000 C 1 h b) d [urn] 75.2 99,5 98 97-800 C 77 h 45 99,5 % 96-40,2 98.5 % / 95. - 94. 93 20 ife f f c g o i t e * " t [h] 33 O l $ - 5 yt%] 6% 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 Rys. 3a. Zmiana udziału objętościowego fazy wyżarzania [6]. wyraz z czasem Fig. 3a. Change in the volume fraction of y' phase in dependence on time ofannealing [6]. a) b) c) d) 1».J AI i i ;! i, i i,- J 1, l iii Pustka Kirkendalla x k Przesunięcie płaszczyzny rozdziału tl>t 0 t 2 >t] Rys. 4. a) b) c) Schemat powstania efektu Kirkendalla, d) profil stężenia w złączu / po wygrzewaniu przez 48 h. Fig. 4a. a) b) c) Scheme of Kirkendall effect formation, d) the profile of concentration in the ^/joint after annealingfor the 48 h. MIKROANALIZA RENTGENOWSKA Mikroanalizę składu chemicznego połączenia / wykonanego za pomocą wiązki elektronowej przeprowadzono na skaningowym mikroskopie elektronowym HITACHI S-4200 z systemem YOYAGER wyposażonym w spektrometr promieniowania X z dyspersją energii (EDS). Wykonano analizy punktowe i liniowe i na powierzchni połączenia. Badania składu chemicznego prowadzono przy napięciu przyspieszającym wiązkę elektronów 25 kev. Wyniki mikroanalizy składu chemicznego złącza przedstawiono na rysunkach 5a i 5b. Należy stwierdzić, że niezbędny jest taki wybór obszaru analizy, aby na wyniki nie wpływała obecność porów, np. na rysunku 6 wartość stężenia = 6,21 % at. jest mniejsza niż wartość 10,7 % at. odpowiadająca płaszczyźnie Matano. Różnice te dotyczą wyników analizy liniowej (rys. 4d), dla której trudno jest znaleźć linię nie przecinającą porów. emniej jednak, wyniki rozkładów niklu i aluminium w połączeniu / metodą mikroanalizy rentgenowskiej w pełni obrazują zmiany stężenia pierwiastków na płaskim przekroju złącza, co potwierdza występowanie dyfuzji aluminium w złączu podczas wyżarzania. ANALIZA WYNIKÓW Celem pracy było określenie makro- i mikrostruktury połączeń ze stopów na osnowie faz międzymetalicznych typu / wykonanych wiązką elektronową. Cel ten został zrealizowany poprzez badania metalograficzne makro- i mikrostruktury połączeń oraz badania metodami mikroanalizy rentgenowskiej. Na obecnym etapie rozwoju inżynierii materiałowej w łańcuchu przyczynowo skutkowym: technologia - skład chemiczny - struktura - właściwości w przypadku połączeń wykonanych wiązką elektronową badania ograniczone są jedynie do określenia składu chemicznego i struktury złącza spawanego. W literaturze technicznej nie spotyka się analizy wpływu procesu łączenia oraz obróbki cieplnej na makro- i mikrostrukturę złącza, a także wpływu struktury na właściwości złączy stopów na osnowie faz międzymetalicznych. Badania struktury połączenia / ujawniły trzy charakterystyczne obszary złączy: spoinę, strefę wpływu ciepła (SWC) i materiał rodzimy (rys. 1). Materiał rodzimy posiadał polikrystaliczną strukturę o zróżnicowanej wielkości i kształcie kryształów niklu oraz dendrytyczną strukturę stopu. Strefa wpływu ciepła złącza była bardzo wąska, głównie w obszarze (rys. 2a). W okolicach linii wtopienia można było zaobserwować nadtopienie ziaren materiału rodzimego oraz równoczesny wzrost kryształów występujących w spoinie. Stwierdzono nieprawidłowości spawalnicze, np. przyklejenia (rys. 2e). Wyraźna zmiana struktury w obszarze złącza nastąpiła po wyżarzaniu próbek. Zaobserwowano wyraźne zwiększenie udziału objętościowego fazy y' (rys. 3a) oraz wzrost średniej średnicy ziarna (rys. 3b). Potwierdzeniem zjawisk dyfuzji w połączeniu / są obserwowane pustki w strukturze, (tzw. efekt Kirkendalla). Wraz ze wzrostem czasu wygrzewania stwierdzono koagulację pustek oraz ich łączenie się w kierunku prostopadłym do złącza. Mikroanaliza rentgenowska wykazała zmianę rozkładu pierwiastków w badanych połączeniach podczas wyżarzania. W wyjściowym połączeniu stwierdzono 100 % at. w niklowym pręcie spawanym oraz 86 % at. i 74 % at. w pręcie, co odpowiadało składowi chemicznemu materiału rodzimego 754 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXV
S* rtf # ^..OT *' T ^'f "^f dt t?-,! 1J 1I %B' "fefl ^'^4i &>-?; &;-. - Rys. 5. Wyniki mikroanalizy składu chemicznego złącza / Fig. 5. The chemical analysis by X-ray energy dispersive spectroscopy wykonanej metodą EDS: a) w stanie wyjściowym b) po wyżarzaniu (EDS) ofthe / jonit results: a) initial state b) after annealing at w temperaturze 1140 C przez 96 h. 1140 C for 96 h. (rys. 5a). Krótki czas wyżarzania (48 h) spowodował zmiany w stężeniu pierwiastków (rys. 4d). Dłuższy czas wyżarzania nie spowodował zmiany składu chemicznego obszaru spoiny, ale wyraźnie zwiększył obszar pojawiania się porów Kirkendalla (rys. 2a, c, e, g i rys. 5b), a przedłużające się wygrzewanie systematycznie przesuwało granicę / w kierunku. WNIOSKI 1. Stwierdzono możliwość łączenia intermetalików typu z za pomocą spajania wiązką elektronów. 2. Badania struktury połączenia / ujawniły trzy charakterystyczne obszary: spoinę, strefę wpływu ciepła SWC i materiał rodzimy. 3. W złączach / poddanych wyżarzaniu zaobserwowano efekt Kirkendalla, który świadczy o zróżnicowanej szybkości dyfuzji i w złączu oraz jest potwierdzeniem wakansowego charakteru dyfuzji w złączu. 4. Rozkłady liniowe pierwiastków i w złączu / wykonane metodą mikroanalizy rentgenowskiej potwierdziły zmiany składu chemicznego w połączeniu wraz ze wzrostem czasu wyżarzania od 48 h do 192 h. 5. Badania możliwości spawania wiązką elektronową intermetalików typu z oraz oceny ich makro- i mikrostruktury należy uzupełnić badaniami właściwości mechanicznych połączeń /, co pozwoli w pełni na ocenę przydatności metod spawalniczych do łączenia intermetalików typu z. LITERATURA [1] Vann R. A.: Structural and Functional Intęrmetalics Ań Overview, Ogólnopolskie Sympozjum Naukowe Stopy na Osnowie Faz Międzymetalicznych", Warszawa, 2000, s. 1-14 [2] Bystrzycki J., Varm R. A., Bojar Z.: Postępy w badaniach stopów na bazię uporządkowanych faz międzymetalicznych z udziałem aluminium, Inżynieria Materiałowa, 5, 1996, s. 137 [3] Bystrzycki J., Garbacz "H., Przetakiewicz W., Kurzydłowski K. J.: Tematyka polskich prac badawczych w obszarze faz międzymetalicznych na tle badań światowych, Ogólnopolskie Sympozjum Naukowe Stopy na Osnowie Faz Międzymetalicznych", Warszawa, 2000, 123-128 [4] Adamiec J., Adamiec P.: Łączenie stopów na osnowie faz międzymetalicznych za pomocą spawania, Mat. Konf.: Postęp w metodach spawania w osłonie gazowej, Międzyzdroje, 2002 [5] Losertoya M.: Wybrane fizyczno-mętalurgiczne parametry stopu, VSB Ostrawa 1997, s. 225 [6] Losęrtova M.: Materialoye-inzenyrske aspekty intermętalickych slitin na bazi,, doktorat, VSB Ostrawa 1998 NR 212004 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 755