The Ostwald-ripening of tungsten grains in liquid nickel-tungsten matrix at 1540℃ was observed and the results are compared to the LSW (Lifshitz, Slyozov, Wagner) theory and Ardell's theory. The specimen compostion were 99W-1Ni, 93W-7Ni, and 70W-30Ni by weight percent. The specimens were prepared by usual powder metallurgy techniques using tungsten and nickel powders of 2.6μ and 4.6μ average size, respectively. The sintering was carried out at 1540℃ in hydrogen atmosphere for times ranging from 10 minutes to 15 hours.
The measured linear intercept distribution of the tungsten grains was compared to the theoretical values for diffusion controlled and interface reaction controlled mechanisms obtained by Exner and Lukas from the LSW theory. In the specimens of 93W-7Ni composition the linear intercept distribution is wider than those suggested by LSW theory during the initial period of sintering. However, as the sintering time becomes longer it approaches the equilibrium distribution corresponding to the reaction controlled mechanism for the particle growth, and after 15 hours of sintering the observed distribution resembles the reaction controlled mechanism for the particle growth, and after 15 hours of sintering the observed distribution resembles the reaction controlled case.
In the 70W-30Ni specimens the equilibrium reaction controlled distribution is more quickly reached in about 30 minutes. But subsequently the heavier tungsten grains begin to condense at the bottom of the specimens and therefore for further times meaningful analysis was not possible. In the 99W-1Ni specimens the tungsten grain shapes deviate considerably from spheres and even after 15 hours of sintering the equilibrium distribution was not obtained.
In the 93W-7Ni specimens the average tungsten grain size $\bar{r}$ increases with time t as $\bar{r} \sim t^{\frac{1}{3}}$ predicted by the LSW theory for the diffusion controlled mechanism. However, since the measurements were made up to 15 hours of sintering before reaching the equilibrium distribution it is not possible to conclude definitely that the observed growth rate corresponds to the diffusion controlled mechanism rather than the reaction controlled mechanism. On the other hand previous experimental results on tungsten heavy alloys show tungsten particle growth rates following the diffusion controlled mechanism. Further indication for diffusion controlled growth is provided by the variation of the growth rate with the relative amount of grains and the matrix as shown by previous measurements on heavy alloys and indicated in the present investigation.
It thus appears that the observed growth rates correspond to the diffusion controlled mechanism while the grain size distribution at equilibrium resembles the prediction of reaction controlled mechanism.
This apparent discrepancy is resolved by Ardell's recent theoretical result that when the amount of the matrix phase is small and the reaction rate is controlled by diffusion the average particle size follows the $t^{\{1}{3}}$ law as predicted by LSW theory but the distribution closely resembles the reaction controlled case in LSW theory. Thus the results of the present investigation agree in general with the predictions of Ardell's theory.
Ostwald-ripening 현상을 1540℃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 2.6μ 인 텅스텐과 4.6 μ인 니켈분말을 사용하여 일반적인 분말야금 방법으로 시편을 준비하였다. 1540℃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 $\bar{r} ~t^{1/2}$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 양(量)에 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.
