니켈-텅스텐 액체 기지상에서 텅스텐입자의 성장에 관한 연구

Abstract

Ostwald-ripening 현상을 $1540 \,^\circ\!C$의 액상 니켈-텅스텐 기지상에 텅스텐 입자들이 분산되어 있는 계에 대하여 관찰하였으며 그 결과를 LSW ( Lifshitz and Slyozov, Wagner ) 이론 및 Ardell의 이론과 비교하였다. 시편의 조성은 무게분율로 99W - 1Ni, 93W -7Ni 및 70W - 30Ni 이며 평균크기가 $2.6 \mu$ 인 텅스텐과 $4.6 \mu$인 니켈분말을 사용하여 일반적인 분말야금 방법으로 시편을 준비하였다. $1540\,^\circ\!C$의 수소 분위기에서 시편을 소결시켰으며 10분에서 15시간 까지 소결시간을 변화시켰다. 텅스텐 입자들로 부터 측정한 단선분포(linear intercept distribution)을 Extent 와 Lukas 가 LSW 이론에서 얻은 diffusion 및 interface reaction mechanism 의 이론단선분포와 비교하였다. 93W - 7Ni 시편의 소결초기 단선분포는 LSW이론에서 제시한 분포보다 넓게 나타났다. 그러나 소결이 진행될수록 단선분포가 LSW 이론의 reaction controlled mechanism 의 평형분포로 접근하였으며 15시간의 소결후에 얻은 단선분포는 reaction controlled mechanism 의 평형분포와 유사하였다. 70W - 30Ni 시편의 단선분포는 매우 빠르게 30분 정도의 소결로서 reaction controlled mechanism 의 평형분포에 도달하였다. 그러나 비중이 큰 텅스텐입자들이 점점 밑으로 가라 앉았기 때문에 더 이상 소결한 시편에 대한 의미있는 분석이 곤란하였다. 99W - 1Ni시편의 텅스텐 입자모양은 구형에서 많이 벗어났으며 15시간의 소결에도 평형분포에 도달하지 못하였다. 99W - 1Ni 시편에서 텅스텐입자의 평균크기 $\bar{r}$는 LSW 이론의 diffusion controlled mechanism 과 같이 $\bar{r} \sim t^{1/2}$의 관계로서 시간에 따라 증가하였다. 그러나 이러한 결과는 평형분포에 도달하지 못한 15시간까지의 소결에서 얻어진 것이므로 텅스텐의 입자성장이 reaction controlled mechanism 이 아닌 diffusion controlled mechanism 에 의한다고 확정지어 말할 수는 없다. Diffusion controlled mechanism 에 의한 입자성장임을 뒷바침하는 다른 징후는 중합금계에 대한 이전의 여러 결과 및 본 실험의 결과에 나타난 바와 같이 텅스텐과 기지상의 상대적인 양에 따라 입자성장속도가 변한다는 것이다. 따라서 텅스텐입자의 성장은 diffusion controlled mechanism에 의한 것으로 나타났으며 반면에 평형입도분포는 reaction controlled mechanism 의 이론분포와 유사하게 나타났다. 이러한 상반되는 결과는 최근 Ardell 의 이론적인 결과에 의하여 해결되었다. 그는 기지상의 양이 적고 diffusion 에 의하여 입자성장이 결정될 때 평균입자크기는 LSW 이론과 같이 $t^{1/3}$ 에 비례하며 입도분포는 LSW 이론의 reaction controlled mechanism의 평형분포와 매우 유사하게 된다고 하였다. 따라서 본 실험의 결과는 Ardell 의 이론적인 결과와 대체적으로 부합된다.