Θεωρητική μελέτη του φαινομένου της διάχυσης κατά την ανάπτυξη μεταλλικής επικάλυψης με μέθοδο εναπόθεσης κόνεως
Creators: name: Παπάζογλου, Μιχαήλ Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: διάχυση
εναπόθεση κόνεως
μαθηματικό μοντέλο
diffusion
powder deposition
mathematical modeling

description: Η περιγραφή της διάχυσης σε ένα σύστημα δύο συστατικών μπορεί να βασιστεί σε ένα μοντέλο που αξιοποιεί πειραματικά δεδομένα και μας δίνει τη δυνατότητα να υπολογίσουμε το συντελεστή ετεροδιάχυσης του συστήματος D ̃. Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη της διάχυσης κατά την ανάπτυξη μεταλλικής επικάλυψης σε μεταλλικό υπόστρωμα με τη μέθοδο εναπόθεσης ατμών PC που χρησιμοποιείται συχνά στη μεταλλουργία κόνεως. Το σύστημα που μελετήσαμε είναι το σύστημα χαλκού - ψευδαργύρου (Cu – Zn). Το υπόστρωμα είναι καθαρός Cu σε μορφή πλακιδίου ενώ το διαχεόμενο συστατικό είναι ο Zn και βρίσκεται σε μορφή σκόνης. Η ανάπτυξη της επικάλυψης ξεκινά σε θερμοκρασία περίπου στους 190℃ με τη δημιουργία της β-φάσης (CuZn) και συνεχίζεται με τη δημιουργία της γ-φάσης (〖Cu〗_5 〖Zn〗_8). Καταλληλότερες μέθοδοι επίλυσης του δεύτερου νόμου του Fick είναι η Boltzmann Matano ή η Sauer – Frise με τη προσέγγιση κατά den Broaden καθώς ο συντελεστής ετεροδιάχυσης του συστήματος εξαρτάται από τη συγκέντρωση του διαχεόμενου συστατικού ή οποία μεταβάλλεται με την απόσταση από την ελεύθερη επιφάνεια του δείγματος. Με τη μέθοδο των Sauer - Freise ο προσδιορισμός του επιπέδου Matano δεν είναι απαραίτητος. Το γεγονός αυτό απαλλάσσει τη μελέτη από μία σειρά πειραματικά σφάλματα. Για την προσομοίωση της συνάρτησης C(x) καταλληλότερη είναι η συνάρτηση Fermi. Από τον υπολογισμό των παραμέτρων κατά την προσαρμογή της συνάρτησης Fermi στα πειραματικά δεδομένα προέκυψε ο συντελεστής ετεροδιάχυσης D ̃ του συστήματος Cu – Zn. Η τιμή του συντελεστή διάχυσης φανερώνει ότι η διάχυση του Zn στον Cu γίνεται με υψηλότερο ρυθμό ακόμη και κατά δύο τάξεις μεγέθους σε σχέση με αυτόν που αναφέρεται στη βιβλιογραφία για πείραμα ζεύγους διάχυσης. Η ταχύτερη διάχυση αποδίδεται στην πολυκρυσταλλικότα του υποστρώματος και της σκόνης. Στα πολυκρυσταλλικά υλικά οι διαχωριστικές επιφάνειες μεταξύ των κρυσταλλιτών παίζουν το σημαντικότερο ρόλο κατά τη διάχυση. Η επιτάχυνση του φαινομένου αποδίδεται επίσης και στο γεγονός της εναπόθεση ατμών που αποτελεί στερεό-αέριο σε αντίθεση με τον υπολογισμό του συντελεστή που σχετίζεται με ζεύγος διάχυσης στερεού-στερεού. Από τα διαγράμματα διάχυσης – συγκέντρωσης είναι εμφανές ότι η διάχυση αρχικά είναι ταχεία, στη συνέχεια η ταχύτητά της μειώνεται και στο πέρας του πειράματος η ταχύτητα αυξάνεται δραματικά. Η υψηλή ταχύτητα της διάχυσης κατά τα πρώτα στάδια του πειράματος οφείλεται στο γεγονός ότι εκατέρωθεν της διεπιφάνειας έχουμε μεγάλη συγκέντρωση των δύο συστατικών και έτσι η ανάμιξη είναι σφοδρή. Στην αρχή αναπτύσσεται η φάση CuZn. Μέχρι την ολοκλήρωση της ανάπτυξης αυτής της φάσης η ταχύτητα διάχυσης μειώνεται βαθμιαία μέχρι να αποκτήσει μία σταθερή τιμή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι λιγότερα άτομα Zn βρίσκονται κοντά στη επιφάνεια του καθαρού Cu κατά τη ανάπτυξη αυτής της φάσης. Η ταχύτητα των διαχεόμενων ατόμων Zn μέσα από τη φάση είναι υψηλή και όταν η φάση έχει αναπτυχθεί η ταχύτητα των ατόμων συνεχώς αυξάνεται με αποτέλεσμα να δημιουργείται μεταξύ της φάσης CuZn και του υποστρώματος μία φάση πλούσια σε Zn, η 〖Cu〗_5 〖Zn〗_8. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι είναι σχετικά απλή και αξιόπιστη για σύστημα δύο συστατικών και μία πιο απαιτητική μέθοδος ίσως παρέλκει για την εξαγωγή κάποιων βασικών συμπερασμάτων. Η χρήση της μεθόδου προτείνεται για τον υπολογισμό του συντελεστή ετεροδιάχυσης του συστήματος και στην περίπτωση της μεθόδου χημικής εναπόθεσης ατμών PC.
description: The description of diffusion in a two-component system can be based on a model that uses experimental data and enables us to calculate the interdiffusion coefficient of the system. Subject of the present work is the study of diffusion during metallic coating development on a metal substrate by Pack Cementation which is a vapor deposition method, commonly used in the powder metallurgy. The system studied is the system of copper - zinc (Cu - Zn). The substrate is pure Cu in block while Zn is in powder form. The development of the coating starts at about 190 ℃ by the creation of the beta-phase (CuZn) and continues with the creation of the gamma-phase (〖Cu〗_5 〖Zn〗_8). The most appropriate methods to solve the second Fick's law when the interdiffusion coefficient of the system depends on the concentration of the diffuse component, is the Boltzmann Matano or Sauer - Frise with den Broaden approach. With the method of Sauer - Freise determine Matano plane is not necessary to be located. This relieves the study of a series of experimental errors. The most suitable function for the simulatation of the function C(x) is Fermi function. The calculation of the parameters in the adjustment of the Fermi function to experimental data export interdiffusion coefficient D of the system Cu - Zn. The value of diffusion coefficient indicates that the diffusion of Zn in Cu is even faster than that is reported in the literature which refers to diffusion couple experiment. The faster diffusion due to the polycrystalline substrate and powder. In polycrystalline materials the grain boundaries between the crystallites play important role in diffusion. The acceleration of the phenomenon is also attributed to the fact that the vapor-gas solid is in contrast to calculate the coefficient associated with a pair of solid-solid diffusion. Since the diffusion - concentration diagrams is evident that the diffusion is rapid initially, then its speed is reduced and at the end of the experiment the speed increases dramatically. The high speed of diffusion in the early stages of the experiment due to the fact that both sides of the interface have a high concentration of two ingredients and the mixing is so fierce. At the beginning of the growing phase CuZn. Until the completion of this development phase, the diffusion speed is gradually reduced until it is a fixed value. This is because fewer atoms of Zn are near the surface of pure Cu in the development of this phase. The speed of spreadable Zn atoms through phase is high and when the phase velocity has been developed for people growing thus created between the CuZn phase and the substrate one phase rich in Zn, the 〖Cu〗_5 〖Zn〗_8. The advantages of this method is that it is relatively simple and reliable system for two components and a more demanding method may not necessary to extract some basic conclusions. Using the method proposed for calculating the interdiffusion coefficient of the system in case of Pack Cementation.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)