Hoe De Technologie van Extrusie en de Verhouding van Deformatie en Temperatuur de Structuur van Intermetallische Verbindingen Beïnvloeden

De kristallisatie van het gesynthetiseerde intermetallische product wordt geschat met de volgende vergelijking [9]: (3.9), waarbij $D$ de initiële grootte (diameter) van het korrel is, en afhankelijk is van de constante temperatuur. De pre-exponentiële factor, de activatie-energie van de korrelgroei, en de graad van de mate van deformatie worden eveneens meegenomen. Het resultaat van de synthetische productie wordt bepaald door de extrusieproces, en de mate van deformatie wordt uitgedrukt door een empirie-gebaseerde relatie [11]: (3.11). Het bepaalt de grootte van de korrels in het synthetisch product nadat de extrusie via de mal heeft plaatsgevonden.

Met behulp van het softwarepakket Deform kunnen de thermodynamische en mechanische processen van het extrusieproces van intermetallische $\gamma$-TiAl-legeringen worden gemodelleerd. Deform biedt een krachtig platform voor het modelleren van technologieën die de driedimensionale belasting van het metaal onder verschillende drukverwerkingsprocessen simuleren. De integratie van de experimentele resultaten over de kinetiek van de interactie van intermetallische legeringen onder SHS-condities toont aan dat voor het verkrijgen van de $\gamma$-TiAl-legering de activeringsenergie ongeveer 79 kJ/mol is, met een pre-exponentiële factor van $k_0 = 7.2 \times 10^8 \, s^{ -1}$. Deze parameters stellen ons in staat om de basiseigenschappen van de deformatie tijdens het samendrukken van de legering nauwkeurig te modelleren.

Het modelleren van het deformatieproces van de TiAl-legeringen toont aan dat, door de synchronisatie van thermische processen en dynamische compactie van het synthetisch product, een compact intermetallisch legering kan worden verkregen met een bijzonder gedispergeerde structuur. Dit resulteert in korrels die aanzienlijk kleiner zijn dan die welke door gieten, sinteren of schokgolven zouden worden verkregen. Het korrelgrootte-effect wordt verder versterkt door het toenemen van de mate van plastische deformatie, die in sommige gevallen zelfs kan leiden tot een sub-microkristallijne structuur.

De graafkundige representatie van de berekende resultaten toont aan hoe de temperatuur- en deformatieverhoudingen het korrelgrootte-effect beïnvloeden. Het model maakt duidelijk dat de mate van deformatie en de extrusietemperatuur belangrijke parameters zijn voor het verkrijgen van een fijne korrelstructuur in het eindproduct. Het is essentieel om te begrijpen dat deze factoren niet alleen de mechanische eigenschappen van de legering beïnvloeden, maar ook cruciaal zijn voor de algehele prestaties van het intermetallische materiaal.

Het is belangrijk te benadrukken dat, hoewel de simulaties waardevolle inzichten bieden in het gedrag van het materiaal onder verschillende verwerkingsomstandigheden, de experimenten in reële productieomstandigheden altijd noodzakelijk blijven om de theoretische modellen te valideren en aan te passen. Verder is het cruciaal voor de fabrikant om een gedetailleerd begrip te hebben van de krachten en temperaturen die tijdens het proces optreden, evenals de invloed van de omgevingscondities, zoals de snelheid van koeling en de geometrie van de persvorm, op de uiteindelijke eigenschappen van het materiaal.

Hoe beïnvloeden legeringselementen de mechanische eigenschappen van γ-TiAl legeringen?

De industriële γ-TiAl-legeringen van de tweede generatie bevatten ten minste één Χ-element en één Υ-element die de weerstand tegen oxidatie en kruip verbeteren. Net als superlegeringen van nikkel kunnen ze tot acht legeringselementen bevatten. Deze legeringen hebben een goede verwerkbaarheid, bevredigende sterkte-eigenschappen, rek bij rekken van 1–3% bij kamertemperatuur en breuktaaiheid van 10 tot 25 MPa/m. De kruipkarakteristieken beperken echter hun gebruik tot 700°C, vooral tijdens langdurig gebruik. Bij temperaturen boven de 700°C kan ook de onvoldoende oxidatieweerstand een probleem zijn.

De derde generatie legeringen werd ontwikkeld om de gebruikstemperaturen te verhogen. Onderzoek wordt in twee richtingen uitgevoerd: (1) op basis van legeringen met een hoog niobiumgehalte en (2) de ontwikkeling van dispergeerhardende legeringen. TiAl-gebaseerde legeringen met een niobiumgehalte van 5 tot 10% en kleine toevoegingen van B en C worden TNB (TiAl-Nb) genoemd. Deze legeringen vertonen een hogere sterkte en oxidatieweerstand in vergelijking met de legeringen van de tweede generatie. Volgens de auteur kunnen TiAl-gebaseerde legeringen een acceptabele kruipweerstand hebben tot een temperatuur van 750°C met een duplex (lamellaire-granulaire) structuur, en tot 950°C met een lamellaire structuur.

Desondanks bestaan er op dit moment geen strikte analytische relaties tussen de parameters van de structuur van TiAl-intermetalliden en hun samenstelling, en de mechanische sterktekenmerken van het materiaal. De ontwikkeling van de materiaalkunde in dit gebied bevindt zich nog op het niveau van empirisch onderzoek, waarbij rekening wordt gehouden met kwalitatieve wetten. Daarom kan men bij het plannen van experimenten alleen worden geleid door onafhankelijke structurele, composiet- en sterkteonderzoeken van monsters om empirische gegevens te verkrijgen.

De meest veelbelovende microstructuur van de gegoten legering wordt gekarakteriseerd door de aanwezigheid van ultrafijne equiaxe korrelkolonies die volledig gevuld zijn met gelaagde TiAl- en Ti3Al-fase lamellen. Deze microstructuur is typisch voor legeringen op basis van Ti–Al–Nb. De mechanische eigenschappen werden bepaald op standaard discontinuïteitsmonsters met behulp van een testmachine MUP-20 bij een belasting van 5 ton en een snelheid van 2,5 mm/min. Tijdens de test werd een trekdiagram geregistreerd, waarbij de relatie tussen de kracht die op het monster werkt en de daardoor geïnduceerde vervorming werd vastgelegd.

Er werd gebruik gemaakt van de regressieanalyse om de afhankelijkheid van de mechanische eigenschappen van de γ-TiAl-legering van de inhoud van legeringselementen te onderzoeken. De resultaten van de regressieanalyse toonden aan dat de mechanische eigenschappen van de legering het sterkst afhangen van het gehalte aan niobium en molybdeen. De verhouding tussen niobium en molybdeen bleek de eigenschappen ook aanzienlijk te beïnvloeden.

Een belangrijk inzicht is dat de resultaten van het experiment konden worden weergegeven door een tweedegraads polynoom, wat aantoont dat een aanzienlijk deel van de niet-lineaire termen substantieel verschilde van nul. Dit resultaat bevestigt dat de reactieoppervlakte een ellipsoïde is, waarvan het centrum zich in een extremum bevindt met een maximum. Dit toont de complexe interacties tussen de verschillende legeringselementen en hun effect op de eigenschappen van de legering aan.

Voor de juiste verwerking en het verkrijgen van de gewenste mechanische eigenschappen is het belangrijk om rekening te houden met de samenstelling van de legering en de exacte verhoudingen tussen de verschillende elementen. Dit kan de uiteindelijke prestatie van de legering in de beoogde toepassingen bepalen, vooral in omgevingen met hoge temperaturen, waar de legering moet voldoen aan strikte eisen op het gebied van sterkte en oxidatieweerstand.

Er is echter nog veel onbekend over de precieze correlatie tussen de microstructuur en de mechanische eigenschappen van TiAl-gebaseerde legeringen. Het is noodzakelijk om verder empirisch onderzoek te doen, waarbij zowel de microstructurering als de invloed van de verschillende legeringselementen in detail worden bestudeerd. Dit zal bijdragen aan een beter begrip van hoe de structurele kenmerken de prestaties van de legeringen kunnen verbeteren, wat op zijn beurt de ontwikkeling van geavanceerde materialen voor toepassingen in de luchtvaart- en energie-industrie zal bevorderen.