Studium fázových rovnováh v niklových slitinách s intermetalickými fázemi

Mgr. Jiří Popovič, Ph.D.

Disertační práce

Study od phase equilibria in nickel alloys with intermetallic phases

Anotace:

Předkládaná disertační práce se zabývá teoretickým a experimentálním studiem fázových rovnovah v kovových soustavách na bázi niklu. Ty jsou vhodné pro využití v materiálech pro vysokoteplotní aplikace nebo ve formě ochranných povlaků. Součástí této práce je teoretické modelování fázových diagramů, termodynamických vlastností a jejich ověřování pomocí experimentů. Klíčovými prvky v těchto soustavách jsou nikl a hliník, které jsou dále obohacovány chrómem, kobaltem, titanem nebo wolframem. Obecným cílem této práce je získání fázového diagramu pomocí výpočtů, který odpovídá skutečnosti. Teoretická část této práce se věnuje obecně superslitinám – jejich historii, charakteristice, vlastnostem různých typů superslitin a způsoby jejich výroby. Další část je zaměřená na termodynamický popis fázových rovnovah, metody použité pro teoretické modelování a na popis metodou CALPHAD, která byla prostřednictvím programového balíku ThermoCalc využita k teoretickému studiu zkoumaných soustav. Dále následuje rešerše údajů dostupných z literatury a popis experimentálních technik použitých pro ověření teoretického modelování. Hlavní část je pak věnována výsledkům experimentálního a teoretického studia jednotlivých soustav, které jsou následně diskutovány. Studium niklových superslitin probíhalo zejména v oblasti výskytu neuspořádané fáze γ a její uspořádané formy γ'. V rámci této práce byly experimentálně a teoreticky zkoumány soustavy Ni-Al-W, Ni-Al-Cr-Co-Ti a Ni-Al-Cr-Co. Výsledky teoretických výpočtů byly srovnány s údaji získanými pomocí experimentálních technik a údaji dostupnými z literatury a v některých případech byly mezi výpočty a experimenty zjištěny nesrovnalosti. Pro dosažení lepší shody mezi nimi to znamená nutnost změny vybraných termodynamických parametrů. Na základě našich experimentálních výsledků a údajů dostupných z literatury byla provedena změna termodynamického popisu soustav Ni-Al-W a Ni-W. Ternární parametry popisující uspořádanou fázi γ' byly změněny pomocí optimalizačního modulu PARROT, který je součástí programu ThermoCalc. Také byly připraveny dvě sady termodynamických parametrů popisujících soustavu Ni-W, přičemž jedna z nich zahrnuje i změnu rozpustnosti niklu ve wolframu.

Abstract:

This Ph.D. thesis is engaged in theoretical and experimental study of phase equilibria in metallic systems based on nickel. They are suitable as materials for high temperature applications and protective coatings. The thesis deals with theoretical modelling of phase diagrams and thermodynamic properties and their experimental verification. The key elements in these systems are nickel and aluminium, which are enriched by other elements, namely chromium, cobalt, titanium and tungsten. The general aim of this work is to acquire phase diagram using thermodynamic calculations corresponding to reality. Theoretical part of this thesis dwells on superalloys - their history, characteristics and various properties. Further part is focused on thermodynamic description of phase equilibria and methods used for theoretical modelling, namely the CALPHAD approach and ThermoCalc programme package. Then literature search of available facts about relevant systems and description of experimental technique used for verification of theoretical modelling follows. Main part is turned to experimental and theoretical results, which are subsequently discussed and summed up. The nickel-based superalloys were studied in the region of appearance of disordered γ and ordered γ' phase. In frame of this work ternary Ni-Al-W and quinary Ni-Al-Cr-Co-Ti systems together with its Ni-Al-Cr-Co subsystem were investigated. Results obtained by calculations were compared to experimental observation and in some cases discrepancies between them were found. It means that modification of some selected thermodynamic parameters is needed to reach better agreement. On base of our experimental results and those available from literature, change of thermodynamic description of Ni-Al-W and Ni-W system was done. Ternary parameters describing ordered γ' phase were optimized by means of module PARROT in ThermoCalc programme and two sets of thermodynamic parameters for description of binary Ni-W system were prepared, one of them including change of nickel solubility in tungsten arising from this subsystem.

Klíčová slova

Niklové superslitiny, soustavy Al-Cr-Ni-W, Al-Co-Cr-Ni, Al-Co-Cr-Ni-Ti, metoda CALPHAD, fázové diagramy, termodynamická databáze pro niklové slitiny, Nickel based superalloys, Al-Cr-Ni-W and Al-Co-Cr-Ni systems, CALPHAD approach, phase diagrams, TCNI thermodynamic database for nickel alloys

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 29. 1. 2010

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 25. 2. 2010
• Vedoucí: doc. RNDr. Pavel Brož, Ph.D.
• Oponent: RNDr. Jiří Čermák, DSc., doc. RNDr. Pavel Svoboda, CSc., prof. Ing. Jindřich Leitner, DrSc.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie (čtyřleté) / Fyzikální chemie