پدیده تجزیه اسپینودال در سیستم آلیاژی Ni-Al به کمک محاسبات ترمودینامیک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری

2 استاد دانشکده مهندسی متالورژی و مواد دانشگاه تهران

3 استاد برجسته دانشکده مهندسی مکانیک - دانشگاه کالیفرنیا ریورساید

4 استاد دانشکده مهندسی مواد- دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

بخش قابل توجهی از استحکام دمای بالای سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریختگی به تشکیل و توسعه ریزساختار منظم-نامنظم فازهای γ/γʹ مربوط می‌شود. از این‌رو شناسایی مکانیزم تشکیل، مورفولوژی و فصل‌مشترک فازهای γ و γʹ برای کنترل خواص مکانیکی سوپرآلیاژهای پایه نیکل بسیار حائز اهمیت می‌باشد. تشکیل رسوبات γʹ درون زمینه فاز γ عمدتاً با مکانیزم جوانه‌زنی و رشد صورت می‌گیرد. اخیراً مواردی از تشکیل رسوبات فاز γʹ با مکانیزم تجزیه اسپینودال در برخی از سوپرآلیاژهای پایه نیکل ریختگی گزارش شده است. در پژوهش حاضر وقوع پدیده تجزیه اسپینودال از نقطه نظر ترمودینـامیکی در سیستم دوتایی Ni-Al (به عنوان یک مدل آلیاژی ساده برای سوپرآلیاژهای پایه نیکل) مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور سیستم آلیاژی Ni-Al در قسمت غنی از نیکل به وسیله روش CALPHAD مورد ارزیابی قرار گرفته و انرژی آزاد گیبس فازهای γ و γʹ در این سیستم آلیاژی به کمک به کارگیری مدل دو زیرشبکه محاسبه شده است. با بررسی منحنی انرژی آزاد گیبس در دماهای مختلف احتمال وقوع پدیده تجزیه اسپینودال، از نقطه نظر ترمودینامیک مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس با توجه به نتایج مدلسازی ترمودینامیک، عملیات حرارتی مناسب برای آلیاژ Ni-18Al (درصد اتمی) طراحی شده و به کمک آنالیز سه‌بعدی توموگرافی اتمی مورد مشخصه‌یابی قرار گرفته است. با توجه به نتایج مدلسازی و بررسی‌های تجربی مشخص شد که تشکیل رسوبات γ′ با مکانیزم تجزیه اسپینودال در شرایط فوق اشباع بالا در این سیستم آلیاژی امکان‌پذیر می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

On the spinodal decomposition phenomena in a Ni-Al alloy system aided by thermodynamic calculation

نویسندگان [English]

  • Farsad Forghani 1
  • Mahmoud Nili-Ahmadabadi 2
  • Reza Abbaschian 3
  • Hamid Assadi 4
2 Professor, School of Metallurgy and Materials Engineering, University of Tehran
3 Distinguished Professor, Department of Mechanical Engineering, University of California Riverside
4 Professor, Department of Materials Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده [English]

Formation and evolution of order-disorder microstructure of γ/γʹ phases plays an important role in high temperature strength of cast nickel-based superalloys. Accordingly, the characterization of formation mechanism, as well as morphology and interface of γ and γʹ phases, are very important to control the mechanical properties of nickel-based superalloys. Formation of γ' precipitates inside the γ phase matrix often occurs by classical nucleation and growth mechanism. Recently, some researches have reported the formation of γ' precipitates by spinodal decomposition mechanism in some Ni-based superalloys. In the present study, the spinodal decomposition phenomena in a Ni-Al binary system (as a simple model alloy for Ni-based superalloys) has been studied. For this purpose, the Ni-rich region of Ni-Al alloy system was assessed thermodynamically using CALPHAD method. The Gibbs free energy of γ and γʹ phases for this alloy system was calculated employing two sublattice model. Then, the possibility of spinodal decomposition was investigated from the thermodynamic point of view by the study of the Gibbs energy curves in different ranges of temperature. Due to the thermodynamic modeling results, a proper heat treatment procedure was designed for Ni-18Al (at.%) alloy and characterized by means of 3D atom probe tomography (APT) analysis. According to the modeling and experimental results, it was found that γ' precipitates were formed by spinodal decomposition under higher supersaturation conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ni-Al alloy system
  • Order and disorder phases
  • Thermodynamic calculation
  • CALPHAD method
[1]        J. R. Davis, “Superalloys,” in Alloying: Understanding the Basics, ASM International, 2001, pp. 290–307.

[2]        R. C. Reed, The Superalloys: Fundamentals and Applications. Cambridge University Press, 2006.

[3]        X. P. Tan, “Spinodal Decomposition Mechanism of γ′ Precipitation in a Single Crystal Ni-Based Superalloy,” Metall. Mater. Trans. A, vol. 45, no. 11, pp. 4725–4730, Aug. 2014.

[4]        S. A. Hill and B. Ralph, “Continuous phase separation in a Nickel-Aluminium alloy,” Acta Metall., vol. 30, no. 12, pp. 2219–2225, Dec. 1982.

[5]        G. B. Viswanathan, R. Banerjee, A. Singh, S. Nag, J. Tiley, and H. L. Fraser, “Precipitation of ordered phases in metallic solid solutions: A synergistic clustering and ordering process,” Scr. Mater., vol. 65, no. 6, pp. 485–488, Sep. 2011.

[6]        X. P. Tan et al., “Atom probe tomography of secondary γ′ precipitation in a single crystal Ni-based superalloy after isothermal aging at 1100 °C,” J. Alloys Compd., vol. 611, pp. 389–394, Oct. 2014.

[7]        A. R. P. Singh et al., “Mechanisms related to different generations of γ′ precipitation during continuous cooling of a nickel base superalloy,” Acta Mater., vol. 61, no. 1, pp. 280–293, Jan. 2013.

[8]        N. Dupin and B. Sundman, “A thermodynamic database for Ni-base superalloys,” Scand. J. Metall., vol. 30, no. 3, pp. 184–192, Jun. 2001.

[9]        I. Ansara, B. Sundman, and P. Willemin, “Thermodynamic modeling of ordered phases in the NiAl system,” Acta Metall., vol. 36, no. 4, pp. 977–982, Apr. 1988.

[10]      M. Hillert and L.-I. Staffansson, “The Regular Solution Model for Stoichiometric Phases and Ionic Melts.,” Acta Chem. Scand., vol. 24, pp. 3618–3626, 1970.

[11]      H. L. Lukas, S. G. Fries, and B. Sundman, Computational thermodynamics: the CALPHAD method. Cambridge University Press, 2007.

[12]      M. Hillert, “The compound energy formalism,” J. Alloys Compd., vol. 320, no. 2, pp. 161–176, May 2001.

[13]      K. Zeng, R. Schmid-Fetzer, B. Huneau, P. Rogl, and J. Bauer, “The ternary system Al–Ni–Ti Part II: thermodynamic assessment and experimental investigation of polythermal phase equilibria,” Intermetallics, vol. 7, no. 12, pp. 1347–1359, Dec. 1999.

[14]      Y. Du and N. Clavaguera, “Thermodynamic assessment of the AlNi system,” J. Alloys Compd., vol. 237, no. 1–2, pp. 20–32, Apr. 1996.

[15]      I. Ansara, N. Dupin, H. L. Lukas, and B. Sundman, “Thermodynamic assessment of the AlNi system,” J. Alloys Compd., vol. 247, no. 1–2, pp. 20–30, Jan. 1997.

[16]      N. Dupin, “Contribution to the thermodynamic evaluation of multicomponent Ni-based alloys,” Thesis, Institut National Polytechnique de Grenoble, 1995.

[17]      A. T. Dinsdale, “SGTE data for pure elements,” Calphad, vol. 15, no. 4, pp. 317–425, Oct. 1991.

[18]      N. Saunders and A. P. Miodownik, CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams): A Comprehensive Guide: A Comprehensive Guide. Elsevier, 1998.

[19]      H. Okamoto, “Al-Ni (aluminum-nickel),” J. Phase Equilibria, vol. 14, no. 2, pp. 257–259, Apr. 1993.

[20]      D. A. Porter and K. E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, Third Edition (Revised Reprint). CRC Press, 1992.

[21]      J. W. Cahn, “On spinodal decomposition,” Acta Metall., vol. 9, no. 9, pp. 795–801, Sep. 1961.

[22]      J. W. Christian, The theory of transformations in metals and alloys: an advanced textbook in physical metallurgy. Pergamon Press, 1965.

[23]      R. Wagner, R. Kampmann, and R. Cahn, Materials science and technology: a comprehensive treatment, vol. 5. 1991.

[24]      G. Kostorz, Phase Transformations in Materials. Wiley, 2001.

[25]      J. W. Cahn, “On spinodal decomposition in cubic crystals,” Acta Metall., vol. 10, no. 3, pp. 179–183, Mar. 1962.

[26]      J. W. Cahn and J. E. Hilliard, “Spinodal decomposition: A reprise,” Acta Metall., vol. 19, no. 2, pp. 151–161, Feb. 1971.

[27]      J. W. Cahn, “A correction to spinodal decomposition in cubic crystals,” Acta Metall., vol. 12, no. 12, p. 1457, Dec. 1964.

[28]      T. Ichitsubo et al., “Elastic anisotropy of rafted Ni-base superalloy at high temperatures,” Acta Mater., vol. 51, no. 16, pp. 4863–4869, Sep. 2003.

[29]      C. L. Corey, B. Z. Rosenblum, and G. M. Greene, “The ordering transition in Ni3Al alloys,” Acta Metall., vol. 21, no. 7, pp. 837–844, 1973.