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Investigation of the Al-Ge-Ni phase diagram with a view to joining application for Nickel Aluminides

Reichmann, Thomas Ludwig (2011) Investigation of the Al-Ge-Ni phase diagram with a view to joining application for Nickel Aluminides.
Diplomarbeit, Universität Wien. Fakultät für Chemie
BetreuerIn: Richter, Klaus

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30278.40958.415154-9
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Abstract in Englisch

Nickel aluminides, like γ’-Ni3Al and β-NiAl, are used in high temperature alloys, which are applied in aircraft and space vehicle engines, power generating turbines and marine propulsion turbines. Nickel aluminides are nowadays used in terms of nickel-base superalloys which usually contain high amounts of chromium, as well as several other transition metals and main group elements, making these materials rather complex. Since applied parts of nickel-base superalloys are moulded in complicated procedures at elevated temperatures, they are very expensive. A successful application of these materials thus requires suitable and cost-effective joining techniques such diffusion brazing (TLP). During this process two substrates with a filler material inserted between them are annealed for a short time. As filler materials, alloys with a lower melting temperature than the two component parts, but similar chemical compositions, are applied, to provide optimal diffusion during the annealing process. In this work, germanium has been chosen, as melting point depressing element, as it forms deep eutectics with Al and Ni. The aim of the present work was to investigate the ternary phase diagram Al-Ge-Ni, in order to optimize the filler composition and to better understand the interface reactions occurring during the brazing process. The ternary phase diagram was studied by a combination of optical microscopy, X-ray powder diffraction, Electron probe microanalysis and Differential thermal analysis. Two partial isothermal sections at 400 °C and 700 °C and vertical sections at 10, 20 and 35 at.% nickel as well as one vertical section at constant Al:Ni ratio 1:3 were investigated. The results were hardly comparable with prior results of Yanson et al [46]. At least four new ternary phases have been found to exist in the system. Two ternary intermetallic phases were determined with single crystal diffraction and designated with the empirical formula AlxGe2-xNi (NiGe2-type, τ1) and AlyGe9-yNi13±x (Ga3Ge6Ni13-type, τ3). Furthermore, one phase was identified from its powder diffraction pattern, using DIFFRACplus TOPAS software, and designated as AlxGe2-xNi (CaF2-type, τ4). One additionally phase was determined by EPMA and powder XRD at the composition Al67.5Ge18.0Ni14.5 (τ2). Moreover phase relations and solubility limits were studied in detail for the Ni-poor part of the system. A partial liquidus projection and a partial reaction scheme were examined. In total twelve invariant reactions (1 degenerated eutectic, 3 peritectic reactions, 7 transition reactions, 1 maximum) were found in the Ni-poor part. Furthermore, fundamental wetting- and diffusion-brazing experiments were performed with two selected brazing alloys, using AlNi and AlNi3 as substrate materials, at processing temperatures of 900 and 1000 °C, respectively.

Schlagwörter in Englisch

Nickel Aluminides / Diffusion Brazing / ternary phase diagram

Abstract in Deutsch

Nickel- Aluminide, wie γ’-Ni3Al and β-NiAl, finden heutzutage in Form von Nickelbasis- Superlegierungen, aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften sowie hohen Stabilität gegenüber thermischen und chemischen Einflüssen, Anwendung in Flugzeugmotoren und Gasturbinen. Nickelbasis- Superlegierungen sind aufgrund ihrer komplexen chemischen Zusammensetzungen und aufwendigen Herstellung sehr kostenintensiv. Eine wirtschaftliche Anwendung dieser Materialien erfordert daher geeignete Reparatur- und Fügeverfahren. Ein in den letzten Jahren häufig praktiziertes Fügeverfahren ist Diffusions- Hartlöten (TLP). Bei diesem Verfahren wird ein Lötmaterial mit ähnlich chemischer Zusammensetzung, jedoch niedrigerer Schmelztemperatur, zwischen die entsprechenden Fügeteile appliziert, und die Anordnung für eine gewisse Zeit getempert. In der aktuellen Arbeit wurde Germanium als ein den Schmelzpunkt erniedrigendes Element verwendet, weil es mit Al bzw. Ni tief schmelzende Eutektika bildet. Das Hauptziel war eine grundlagenorientierte Aufklärung des ternären Phasendiagramms Al-Ge-Ni, zur Eruierung von geeigneten Lötmaterialien sowie deren Schmelzverhalten während des Lötprozesses. Das ternäre Phasendiagramm wurde mit einer Kombination aus optischer Mikroskopie, Röntgenpulverdiffraktometrie, Elektronenmikroskopie und Differential- Thermoanalyse untersucht. Es wurden zwei partielle isotherme Schnitte bei 400 und 700 °C sowie drei vertikale Schnitte bei 10, 20, 35 at.% und ein vertikaler Schnitt bei konstantem Al:Ni Verhältnis von 1:3 konstruiert. Die Ergebnisse waren mit jenen von früheren Untersuchungen von Yanson et al [46] kaum vergleichbar. Es konnten mindestens vier neue intermetallische ternäre Phasen gefunden werden. Zwei Phasen, mit den empirischen Formeln AlxGe2-xNi (NiGe2-type, τ1) and AlyGe9-yNi13±x (Ga3Ge6Ni13-type, τ3), wurden mithilfe von Einkristallröntgenstrukturanalyse aufgeklärt. Die Struktur von AlxGe2-xNi (CaF2-type, τ4), wurde aus Röntgenpulverdaten ermittelt. Die Existenz einer weiteren Phase, mit der chemischen Zusammensetzung Al67.5Ge18.0Ni14.5 (τ2), konnte mit EPMA und XRD Messungen eindeutig belegt werden. Zusätzlich wurden die Phasengleichgewichte im Ni- armen Bereich des ternären Phasendiagramms untersucht, wobei eine partielle Liquidusprojektion und ein partielles Reaktionsschema (1 degeneriertes Eutektikum, 3 Peritektika, 7 Übergangsreaktionen, 1 Maximum) konstruiert werden konnten. Anhand des Phasendiagramms wurden zwei Legierungen ausgewählt, um Benetzungs- und Lötexperimente an AlNi und AlNi3 Fügeteilen, bei 900 und 1000 °C, durchzuführen.

Schlagwörter in Deutsch

Nickelaluminide / Diffusions-Hartlöten / ternäres Phasendiagramm

Dokumentenart: Hochschulschrift (Diplomarbeit)
AutorIn: Reichmann, Thomas Ludwig
Titel: Investigation of the Al-Ge-Ni phase diagram with a view to joining application for Nickel Aluminides
Umfangsangabe: 102 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Chemie
Publikationsjahr: 2011
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Richter, Klaus
BeurteilerIn: Richter, Klaus
Klassifikation: 35 Chemie > 35.90 Festkörperchemie
35 Chemie > 35.31 Anorganische Analyse
AC-Nummer: AC08925243
Dokumenten-ID: 14665
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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