Self formed Cu-W functionally graded material created via powder segregation

Abstract

The aim of the present work is to develop a technique to produce continuously formed Cu-W functionally graded materials (FGMs) with adequate mechanical and electrical characteristics for application in extreme environmental conditions. For that purpose a novel process based on size segregation of W bimodal granular media (GM), composed of monomodal W agglomerates A1 (45-60µm) and A2 (200-250µm), has been applied. The study of compaction dynamics and related relaxation behavior of selected granular media have demonstrated that, under weak excitation and under controlled ambient condition, vibrated bimodal W GM segregates in a manner that a gradient in packing is self formed. During sintering, such a graded packing structure turns into a W preform with a gradient in porosity. Studied W GM fulfills both critical demands: i.e. size segregation and effective sintering process. The final Cu-W FGM has been produced by subsequent infiltration of molten Cu into W graded preform.

Compaction dynamics of weakly excited W GM (frequency 600 Hz and acceleration 6 g) shows three distinguished stages. The first quasi linear stage is attributed to percolation. This process is controlled by an individual particle relaxation where inelastic collisions between particles dominate and it is effective for a moderate packing density. Through a transient stage, where critical slow down occurs, the system attains a steady state. The steady state stage is driven by collective relaxation of close packed particle clusters, where interparticle forces are of the primary importance. The compaction dynamics of studied W GM can be well predicted by Kohlrausch-Williams-Watts law.

Size segregation of polymodal GM is a specific case of vibro-compaction, where collective nature is dominated by excitation level, particle size and friction force. In weakly excited GM, in regimes of geometrical segregation and geometrical segregation aided by convection motion, a gradient in packing can been self formed. Each of these regimes correspond to collective motion of the small agglomerates (A1), whereas the larger agglomerates (A2) play the role of an inert phase. It was shown that a gradient of packing represents the most effective random packing model.

Sintering of the constitutive monomodal agglomerates (A1, A2) is strongly inhomogeneous with a statistical nature dependant on initial configuration of selected GM. The low temperature sintering (1400-1700 K) of monomodal W GM is controlled by simultaneous action of rearrangement process and grain boundary diffusion (GBD). A dominance of one of the processes is determined by initial agglomerate size and initial loose packing structure. Agglomerate / particle contact asymmetry and therefore induced transient / residual stresses cause the rearrangement process with the apparent activation energy of Ea~100 kJ/mol and Ea~80 kJ/mol for the agglomerates A1 and A2, respectively. Agglomerate mobility caused by agglomerate structure and polymodal porosity distribution result in viscose flow like regime in the available free volume of the porous W skeleton, similar to rearrangement in liquid phase sintering. Both mechanisms recognize that enhancement of densification can be achieved by improving the packing factor. Rearrangement process continues until a geometrical factor is exhausted, defined by the random close packing density limit, and makes a condition for GBD to be later operating. Sintering kinetics at higher temperature (1700-1950 K) revealed for both monomodal agglomerates important contribution to sintering coming from the action of GBD.

Sintering kinetics of bimodal W GM is strongly influenced by a packing structure obtained during vibration. The packing structure evolves through three stages: 1) skeleton of smaller particles (percolation stage); 2) skeleton of larger particles (diffusion stage); and 3) graded structure (steady state). The self formed skeleton and graded structures exhibit different sintering behavior. Sintering kinetics of the skeleton type structure resembles the behavior of skeleton-forming powder. The sintering is controlled by a competition between rearrangement and GBD. Sintering of the W graded structure is similar to the sintering of the homogeneous mixture. Due to a improved packing density, the sintering of the graded structure dominantly controlled by GBD. After sintering the graded structure shows an increase in density of 10 % compared to corresponding percolation structure.

The final Cu-W FGMs have been characterized by measurement of electrical resistivity and effective E-Modulus. The content of Cu and W-W contiguity are two features which determine the resistance for current flow and E-modulus of the studied materials. The higher W packing density in graded structure and correspondingly lower Cu content lead to poorer current flow, but higher E-modulus.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der Entwicklung einer neuen Methode zur kontinuierlichen Herstellung funktioneller Cu-W Gradientenwerkstoffe (FGM) mit besonderen mechanischen und elektrischen Eigenschaften für Anwendungen unter extremen Umgebungsbedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Prozess, der auf der Größensegregation granularer Medien beruht, eingesetzt. Ausgangspunkt waren bimodal verteilte granulare Medien bestehend aus Wolfram, die sich wiederum aus zwei verschiedenen Agglomeraten A1 (45-60 µm) und A2 (200-250 µm) zusammensetzen. Die grundlagenorientierte Studie der Kompaktierungsdynamik und dem damit zusammenhängenden Relaxationverhalten der genannten granularen Medien zeigt dass bei schwacher Anregung und unter kontrollieren Umgebungsbedingungen diese granularen Medien segregieren derart, dass sich selbstständig ein Gradient bildet. Während des Sintervorgangs wandelt sich eine solche Struktur in eine Wolfram-Vorform mit einem Porositätsgradienten um. Die untersuchten W bimodale granulare Medien erfüllen zwei wichtige Anforderungen: die Größensegregation und die Sinterfähigkeit. Der finale Cu-W-Gradientwerkstoff wird über eine nachträgliche Infiltration der zuvor hergestellten W-Vorform mit geschmolzenem Kupfer erzeugt.

Die Kompaktierungsdynamik für schwach angeregte granulare Medien (Frequenz 600 Hz und Beschleunigung 6 g) zeigt drei unterschiedliche Stadien. Das erste nahezu lineare Stadium kann auf Perkolationsvorgänge zurückgeführt werden. Dieser Prozess wird durch eine individuelle Partikelrelaxation kontrolliert, wobei inelastische Stöße zwischen den Partikeln überwiegen. Daraus ergibt sich eine moderate Packungsdichte. Nach einem Übergangsbereich, in welchem eine kritische Verzögerung (critical slow down) auftritt, gelangt das System in einen stationären Zustand. Der stationäre Zustand wird dabei von einer kollektiven Relaxation dicht gepackter Partikelcluster gesteuert, wobei die Kräfte zwischen den Partikeln von entscheidender Bedeutung sind. Die Kompaktierungsdynamik der untersuchten Wolfram-Gradientenwerkstoffe kann sehr gut mit Hilfe eines erweiterten Exponentialgesetzes (Kohlrausch-Williams-Watts-Gesetz) beschrieben werden. Die Gültigkeit dieses Relaxationsgesetzes für bimodale Systeme wurde experimentell bestätigt.

Größensegregation stellt einen spezifischen Fall der Vibro-Kompaktirung dar, mit einer kollektive Nature, die durch Anregungsniveau, Partikelgröße und Reibungskräfte gesteuert ist. Bei schwacher Anregung diese granulare Medien im Regime der geometrischen Segregation und der von einer Konvektionsbewegung unterstützten geometrischen Segregation bildet sich eine Gradientenpackung völlig selbständig. Jedes der genannten Regime entspricht der kollektiven Bewegung kleineren Agglomerate (A1), während die größeren Agglomerate (A2) eine inerte Phase darstellen. Es zeigt sich, dass das Modell der Gradientenpackung das effizienteste Modell für eine sich zufällig einstellende Packung repräsentiert. Während des Sintervorgangs, wandelt sich die Gradientenpackung in eine Wolfram-Vorform mit einem Porositätsgradienten um.

Das Sinterverhalten der gründende (konstitutiven) monomodalen W Agglomeraten ist stark inhomogen und von statistischer Natur. Diese hängt entscheidend von der gewählten Ausgangskonfiguration der verwendeten granularen Medien ab. Das Sinterverhalten bei geringen Temperaturen (1400-1700 K) wird durch gleichzeitig auftretende Umordnungsprozesse und Korngrenzendiffusion (GBD) kontrolliert. Der dominierende Einfluss einer der beiden Prozesse ist abhängig von der anfänglichen Agglomeratgröße. Die Asymmetrie der Agglomerate / Partikelkontakte und infolge dessen die induzierten Eigenspannungen unterstützen die Umordnungsprozesse. Die Aktivierungsenergie liegt bei Ea ~100 kJ/mol für die Agglomerate A1 und bei Ea ~ 80 kJ/mol für die Agglomerate A2. Die Mobilität der Agglomerate in dem zur Verfügung stehenden freien Volumen der porösen Wolfram-Vorform aufgrund der Agglomeratstruktur mit polymodaler Porenverteilung, ruft in Analogie zum Flüssigphasensintern ein viskoses Fließen hervor. Die beiden Transportmechanismen lassen erkennen, dass eine Erhöhung der Verdichtung durch einen verbesserten Packungsfaktor erzielt werden kann. Die Umordnungsprozesse finden solange statt, bis der geometrische Faktor, welcher als obere Grenze für die Packungsdichte definiert ist, aufgebraucht ist. Dieser führt zu einem späteren Einsetzen der Korngrenzendiffusion. Bei höheren Temperaturen (1700-1950 K) wird das Sintern monomodaler Agglomerate lediglich durch die Korngrenzendiffusion bestimmt.

Die Sinterkinetik bimodaler Agglomerate ist stark von der während der Vibration erzeugten Packungsstruktur abhängig. Die Einstellung der Packungsstruktur vollzieht sich in drei Stadien: 1) Bildung eines "Skeletts" bestehend aus kleineren Agglomeraten (Perkolationsstadium), 2) Entstehung eines Gerüstes aus größeren Agglomeraten (Diffusionstadium) und 3) Bildung einer Gradientenstruktur (stationärer Zustand). Das sich einstellende Gerüst und die Gradientenstruktur zeigen ein unterschiedliches Sinterverhalten. Die Sinterkinetik der Skelettstruktur ähnelt der eines skelettartigen Pulvers (skeleton-formed powder). Das Sintern wird durch die konkurrierenden Vorgänge in Form von Umordnungsprozessen und Korngrenzendiffusion gesteuert. Das Sinterverhalten der Gradientenstruktur ist mit dem einer homogenen Mischung vergleichbar. Aufgrund einer verbesserten Packungsdichte, wird das Sinterverhalten einer Gradientenstruktur wesentlich von Korngrenzendiffusion kontrolliert. Die gesinterte Gradientenstruktur zeigt im Vergleich zu der entsprechenden Perkolationstruktur eine um 10 % größere Dichte.

Die hergestellten Cu-W Gradientenwerkstoffe wurden durch Messungen des elektrischen Widerstandes sowie des effektiven Elastizitätsmoduls näher charakterisiert. Es konnte dabei festgestellt werden, dass der Cu-Gehalt und die W-W Kontiguität zwei maßgebliche Faktoren hinsichtlich des elektrischen Widerstandes und des E-Moduls darstellen. Je höher die Packungsdichte des Wolframs in der Gradientenstruktur und entsprechend geringer der Cu-Gehalt ist, desto größer sind der elektrische Widerstand und der effektive E-Modul.