Intermetallic Compound Formation in Ni-Ti-Fe Powder Mixtures

Abstract

The Ni-Ti system has a broad range of applications, in areas as diverse as biomedicine and robotics. This is in large due to the NiTi intermetallic compound, which exhibits the shape memory effect. In addition to this property, the intermetallic compound is also biocompatible, has good mechanical properties and good corrosion resistance. Studies on NiTi has shown that the temperatures at which the shape memory effect occurs are highly sensitive to the exact composition of the non-stoichiometric NiTi. One method of controlling this sensitivity is to add iron as a third element to the system. The ternary Ni-Ti-Fe system has mainly been investigated for low iron contents, as the focus has been on the NiTi shape memory effect, and how to improve it. The effect of iron on the other intermetallic compounds present in the Ni Ti system and the possible formation of intermetallic compounds containing iron has not been widely investigated.

In this project the phase evolution in the ternary Ni-Ti-Fe system has been investigated. Elemental powder mixtures of nickel, titanium and iron were prepared by adding 0-20 at.% Fe to equiatomic Ni-Ti. The powders were compacted into discs and sintered. Differential scanning calorimetry was used to study the sintering process, samples of all compositions were heated to 1200 °C and then cooled back down to room temperature. Two compositions, containing 6 at.% and 10 at.% Fe, were chosen for further study of the phase evolution, and samples of these two compositions were heated to several temperatures below 1200 °C.

The microstructure of the samples were studied using scanning electron microscopy. Energy-dispersive spectroscopy was used in conjunction with the microscopy to study the distribution of the nickel, titanium and iron in the samples. X-ray diffraction was used to identify the phases present in each sample.

Iron was shown to affect the intermetallic compound formation in the samples by acting as a substitute for nickel in (Fe,Ni)Ti2 and (Fe,Ni)Ti. Therefore, allowing for an increased amount of Ni rich compounds to form in the samples with higher iron content. These compounds were Ni3Ti and the metastable Ni4Ti3. The onset temperatures for two exothermic peaks in the DSC curves showed linear dependence on the iron content in the samples. The temperatures associated with the β Ti + (Fe,Ni)Ti2 → L and (Fe,Ni)Ti2 → (Fe,Ni)Ti + L reactions are proposed to depend on the ratio of iron to nickel in (Fe,Ni)Ti2.

Abstract (Swedish)

Ni-Ti systemet har en stor mängd tillämpningar, inom områden så spridda som biomedicin och robotteknik. Detta beror till stor del på den intermetalliska föreningen NiTi, vilken är en minnesmetall. Utöver denna egenskap är den intermetalliska föreningen dessutom biokompatibel, har bra mekaniska egenskaper och god resistans mot korrosion. Studier på NiTi har visat att temperaturerna kopplade till dess egenskaper som minnesmetall är mycket känsliga för den exakta sammansättningen hos den icke stökiometriska NiTi fasen. En metod för att kontrollera denna känslighet är att tillsätta järn till systemet. Det ternära Ni-Ti-Fe systemet har främst undersökts för låga järnhalter, eftersom fokuset har legat på NiTi som minnesmetall och hur dessa egenskaper kan förbättras. Effekten av järn på de andra intermetalliska föreningarna som finns i Ni Ti systemet och den möjliga bildningen av intermetalliska föreningar som innehåller järn har inte undersökts till någon vidare utsträckning.

I detta projekt har fasutvecklingen i det ternära Ni-Ti-Fe systemet undersökts. Elementära pulverblandningar av nickel, titan och järn förbereddes genom att tillsätta 0-20 at.% Fe till lika delar nickel och titan. Pulverna kompakterades till diskar och sintrades. Differentiell svepkalorimetri användes för att studera sintringsprocessen, prov av alla sammansättningar värmdes till 1200 °C och kyldes sedan tillbaka ner till rumstemperatur. Två sammansättningar, innehållande 6 at.% och 10 at.% Fe, valdes för vidare studier av fasutvecklingen, och proven av dessa två sammansättningar värmdes till flera temperaturer under 1200 °C.

Provens mikrostruktur studerades med svepelektronmikroskopi. Energi dispersions-spektroskopi användes i samband med mikroskopin för att studera fördelningen av nickel, titan och järn i proven. Röntgendiffraktion användes för att identifiera vilka faser som fanns i varje prov.

Järn visades ha en effect på bildningen av intermetalliska föreningar i proven genom att agera som en substituent för nickel i (Fe,Ni)Ti2 och (Fe,Ni)Ti. Därigenom möjliggjordes bildningen av en ökad mängd nickelrika föreningar, då järnhalten ökades. Dessa föreningar var Ni3Ti och den metastabila Ni4Ti3. Starttemperaturerna för två exoterma toppar på DSC kurvorna uppvisade linjärt beroende på järnhalten i proven. Temperaturerna som är associerade med β Ti + (Fe,Ni)Ti2 → L och (Fe,Ni)Ti2 → (Fe,Ni)Ti + L reaktionerna föreslås bero på förhållandet mellan järn och nickel i (Fe,Ni)Ti2.

Popular Abstract (Swedish)

Smarta material är enormt användbara. Så länge deras egenskaper kan anpassas för den specifika tillämpningen. Utav nickel och titan kan man tillverka nitinol, en minnesmetall. Dess egenskaper kan justeras genom att man även tillsätter järn. Problemet är att kunskapen om hur järnet påverkar systemet är begränsad.

Då en blandning av olika grundämnen värms upp till tillräckligt höga temperaturer kan olika kemiska föreningar mellan dessa grundämnen bildas. Beroende på både den relativa mängden av varje grundämne, och temperaturen, är olika föreningar mer stabila än andra.

Detta gäller för den pulverblanding bestående av lika delar nickel (Ni) och titan (Ti) som var startpunkten för detta projekt. I denna blandning kan flera föreningar bildas. Vid temperaturer upp till cirka 940 °C bildas NiTi2, NiTi och Ni3Ti genom diffusion. Vid 946 °C sker en kraftig reaktion mellan det återstående fria titanet och NiTi2 som leder till en bildning av mer NiTi. Vid 1111 °C startar ytterligare en reaktion, den här gången mellan NiTi och Ni3Ti. Genom att tillsätta järn (Fe) till pulverblandningen kan man påverka de två reaktionerna.

I detta projekt tillsattes upp till 20 % järn till lika delar nickel och titan. Ju högre järnhalten var destå svagare blev den första reaktionen mellan det fria titanet och NiTi2. Dessutom separerades smältningen av NiTi2 från den första reaktionen. Den andra reaktionen växte istället i styrka då järnhalten ökades. Av stort intresse var det samband som framträdde mellan temperaturerna för den första reaktionen och för smältningen av NiTi2. Dessa temperaturer ökade linjärt med järnhalten. Den första reaktionen, som i provet utan järn inträffade vid 946 °C, skedde i provet med 20 % järn vid 999 °C. En ökning med mer än 50 °C!

Det visade sig att järnet inte bildade några separata föreningar med nickel eller titan. Istället kunde järnet ersätta nicklet i NiTi2 och i NiTi. Därför minskade den första reaktionen i styrka eftersom det blev mindre titan över då både järn och nickel kunde bilda föreningar med det. På liknande sätt är det även orsaken till att den andra reaktionen växte i styrka eftersom det då fanns extra nickel över till att bilda mer Ni3Ti.

För den intresserade finns mer information att tillgå i Intermetallic Compound Formation in Ni-Ti-Fe Powder Mixtures.

Popular Abstract

Smart materials are hugely useful. If their properties can be adjusted for the specific application. The shape memory metal nitinol can be created out of nickel and titanium. Its properties can be altered by also adding iron. The problem is that the knowledge of how iron affects the system is limited.

When a mixture of different elements are heated to sufficiently high temperatures, different chemical compounds can form. Depending on both the relative amount of each element, and the temperature, different compounds are more stable than others.

This applies to the powder mixtures of equal amount of nickel (Ni) and titanium (Ti) that was the starting point for this project. In this mixture several compounds can form. At temperatures up to about 940 °C NiTi2, NiTi and Ni3Ti were formed through diffusion. At 946 °C a strong reaction between the remaining titanium and NiTi2 takes place, it leads to the formation of more NiTi. At 1111 °C one more reaction starts, this time between NiTi and Ni3Ti. By adding iron (Fe) to the powder mixture you can affect the two reactions.

In this project up to 20 % iron was added to equal amounts of nickel and titanium. The higher the iron content, the weaker the first reaction between the free titanium and NiTi2 became. Also, the melting of NiTi2 was separated from the first reaction. The second reaction on the other hand grew in strength as the iron content was increased. Of great interest was the connection that emerged between the temperatures for the first reaction and for the melting of NiTi2. These temperatures increased linearly with the iron content. The first reaction, which in the sample without any iron happened at 946 °C, occurred in the sample with 20 % iron at 999 °C. An increase of over 50 °C!

It was made clear that the iron did not form any compounds with nickel or titanium. Instead the iron could replace the nickel in NiTi2 and in NiTi. Therefore the first reaction decreased in strength since there was less titanium left over when both iron and nickel could form compounds with it. In a similar way it is also the reason as to why the second reaction increased in strength since there was extra nickel left over to form more Ni3Ti.

For the interested, more information is available in Intermetallic Compound Formation in Ni-Ti-Fe Powder Mixtures.

• author: Bertilsson, Tea
• supervisor: Hossein Sina
• organization: Materials Engineering
• alternative title: Bildning av intermetalliska föreningar i Ni-Ti-Fe pulverblandningar
• course: FKMM01 20181
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Phase Evolution, Ni-Ti-Fe System, Intermetallics, Powder Metallurgy, Reactive Sintering, DSC, SEM, EDS, XRD
• publication/series: Master's Thesis
• other publication id: ISRN LUTFD2/TFMT--18/5058--SE
• language: English
• id: 8957118
• date added to LUP: 2018-09-03 11:48:46
• date last changed: 2018-09-03 11:48:46