abstract book dsl 2009 • rome

                                                                             …………………….                                                                                  Edited by:                             A. Öchsner, G. Murch, A. Shokuhfar and J. Delgado   

ABSTRACT BOOK DSL 2009 • ROME - ITALY 24‐26 JUNE, 2009  www.dsl2009‐rome.com   

                                             

IRONIX CONFERENCES MANAGEMENT            ironix-conferences.com

we organise conferences!                                     DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

1

PREFACE    It  is  our  great  pleasure  to  welcome  you  to  the  5TH  INTERNATIONAL  CONFERENCE  ON  DIFFUSION  IN  SOLIDS  AND  LIQUIDS:  MASS  TRANSFER,  HEAT  TRANSFER,  MICROSTRUCTURE  AND  PROPERTIES,  NANODIFFUSION AND NANOSTRUCTURED MATERIALS, DSL 2009, in the ancient Rome ‐ Italy, from 24‐ 26 June, 2009.      DSL‐2009  aimed  at  attracting  a  balanced  portion  of  delegates  from  academia,  industry  and  research  institutions  and  laboratories  involved  with  research  and  development  work.  In  doing  so,  the  conference  provides  a  binding  platform  for  academics  and  industrialists  to  network  together,  exchange  ideas,  provide  new  information  and  give  new  insights  into  overcoming  the  current  challenges  facing  the  academics  and  the  industrialists  relating  to  Mass  Transfer,  Heat  Transfer,  Microstructure and Properties, Nanodiffusion and Nanostructured Materials.  I  would  like  to  thank  the  Organising  Committee  members  and  members  of  the  Local  Committe  for  their  help  in  contributing  to  the  successful  organisation  of  this  meeting  and  special  thanks  to  Prof.  Oronzio Manca for his support to help participants to get VISA’s from the Italian Embassies.   I would like to thank the colleagues, organisers of the SPECIAL SESSIONS, Thank you!  A special thanks to Professor Graeme Murch, Professor Ali Shokuhfar and Professor João Delgado, co‐ chairs of DSL‐2009, for the excellent work, significant inputs and support to this conference.  Concerns have  been expressed  about  the  influenza  (H1N1FLU),  travel to  Rome  etc... However, in  the  middle of all questions without answers delegates did the way till here and I would like personally to  thank all delegates for the decision in attending DSL 2009 hope you will find the meeting very useful  for your work, business and a useful forum for obtaining new knowledge.  Have fun learning and meeting new people!  Be helthy and keep yourself helthy!  See you again in 2010, in Paris!         Professor Andreas Öchsner   

DSL CONFERENCES – Chairman   

      DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

2

ORGANISING COMMITTEE 

SCIENTIFIC COMMITTEE 

  Prof. Dr. Ing. A. Öchsner (chair)  University of Malaysia,   Malaysia     Prof. Dr. G. Murch (co‐chair)  The University of Newcastle,  Australia     Prof. Dr. A. Shokuhfar (co‐chair)  K.N. Toosi University of Technology,  Iran    Prof. Dr. J. Delgado (co‐chair)  University of Porto,   Portugal    

LOCAL COMMITTEE    Prof. Dr. Oronzio Manca    (Head of Local Committee)   Seconda Universita' degli Studi di Napoli,   Italy     Dr. Giovanni Mazzolai  University of Perugia,   Italy     Dr. Ing. Assunta Andreozzi   Universita' degli Studi di Napoli Federico  II, Italy    Prof. Dr. Antonio Barletta  Universita' di Bologna,  Italy     Prof. Dr. Nicola Bianco  Universita' degli Studi di Napoli Federico  II,  Italy     Dr. Bernardo Buonomo                  Seconda Universita' degli Studi di Napoli,  Italy     Dr. Ing. Gian Piero Celata   ENEA, Italy     Dr. Michele Celli               Universita' di Bologna,   Italy      Prof. Dr. Nicola Massarotti   Universita' degli Studi di Napoli  Parthenope,    Italy     Prof. Dr. Sergio Nardini   Seconda Universita' degli Studi di  Napoli,   Italy     Prof. Ing. Vincenzo Naso   Universita' degli Studi di Napoli Federico  II,    Italy     Dr. Ing. Eugenia Rossi di Schio    Universita' di Bologna,    Italy    Prof. Rosario Cantelli    Università Degli Studi di Roma "La  Sapienza",  Italy     

 

Prof. P. Pizani   Prof. Y. Sohn   Prof. I. Belova   The University of Newcastle,  University of Central  Universidade Federal de  Australia   Florida,   São Carlos‐UFSC,   USA   Brazil   Prof. R. Bennacer       Université de Cergy‐ Prof. B.B. Straumal   Prof. R.V. Ramnath   Pontoise,   Massachusetts Institute  Institute of Solid  France   of Technology‐MIT,   State Physics,     USA   Russia   Prof. B. Bokstein       Moscow Institute of Steel  Prof. M. Uematsu  Prof. J.P. Rino   and Alloys,  Universidade Federal de  Keio University,   Russia   São Carlos,   Japan     Brazil     Prof. I.E. Campos Silva     Dr. G. Roma   IPN SEPI‐ESIME,   Prof. M.A.J. Somers   C.E. Saclay,   Mexico   Technical University of  France     Denmark,     Prof. M. Danielewski   Prof. Odila Florencio  Denmark   AGH University of Science  UFSCAR,    and Technology,   Brazil   Dr. Philippe Maugis   Poland     Arcelor Research SA,     Dr. H. Fujikawa  France   Prof. A. N. Dmitriev   Air Water    Institute of Metallurgy of  Incorporated.,  Prof. F. Coutelieris  the Ural Branch of Russian   Japan   University of Ioannina,  Academy of Sciences,     Greece   Russia   Prof. Carlos Roberto      Grandini  Prof. R.F. Moreira  Prof. A. Fishman   UNESP/Bauru,  Martínez   Ural Department of Russian  Brazil   Universidade de Santiago  Academy of Sciences,     de Compostela,   Russia   L. S. Shvindlerman  Spain     University of    Prof. A.A. Kodentsov   Aachen,   Prof. T.V. Morosuk   Eindhoven University  Germany   Maritime University of  Technology,     Szczecin,   The Netherlands   Prof. Dezso L. Beke  Poland   University of      Debrecen,   Prof. Chan‐Gyu Lee   Prof. M.E.R. Shanahan   Hungary   Changwon National  University of Bordeaux,    University,   France   Prof. Paul Heitjans    Korea   Leibniz University    Prof. I.A. Wierszyllowski   etal Forming   Hannover  Prof. W.O.F. Lengauer   Germany   Vienna University of      Technology,   Dr. Bernard AUFRAY  Prof. I. Malico  Austria   CINaM‐CNRS  Universidade de Évora    France   Portugal   Prof. G. Mishuris       Rzeszow University of  Prof. M. Zinigrad   Dr Gail R. Duursma   Technology,  Ariel University  University of Edinburgh  Poland   Center of Samaria,   Kings Buildings,     Israel   UK   Prof. H. Nakajima       Osaka University,   Prof. V. Teixeira   Dr. Eusebio Solórzano   Japan  University of Minho,   University of Valladolid,     Portugal   Spain       Prof. M. EL Ganaoui  University of Limoges /  CNRS,  France     Dr. Cornelia Breitkopf  Technische Universität  Bergakademie Freiberg  Germany 

Dr. Devendra Gupta  IBM Thomas J. Watson  Research Center,   USA     Prof. Huseyin Cimenoglu  Istanbul Technical University,  Turkey     Prof. Toshitada Shimozaki  Kyushu Institute of  Technology,   Japan     Prof. Rafal Kozubski  Jagellonian University,  Poland     Prof. Helmut Mehrer  Universität Münster,  Germany     Prof. R. Shahbazian Yassar  Michigan Technological  University,   USA     Prof. G.J. Creus   Universidade Federal Rio  Grande Sul ‐ UFRGS,   Brazil     Dr. W. Eib   Zika Leime,   Germany     Dr. Rodolfo Ariel Pérez  Comisión Nacional de Energía  Atómica (CNEA),   Argentina     Dr. J. Cermak   Institute of Physics of  Materials of the   Academy of Sciences of the  Czech Republic     Prof. Yvan Houbaert  Ghent University,   Belgium     Prof. M.J.S. De Lemos   ITA, Brazil     Prof. V. Popov   Institute of Metal Physics,  Russian   Academy of Sciences,   Russia     Prof. S. Seetharaman   Royal Institute of Technology,   Sweden     Prof. K. Sefiane   The University of Edinburgh,   UK 

 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

3

6th

6TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON DIFFUSION IN SOLIDS AND LIQUIDS:  MASS TRANSFER, HEAT TRANSFER, MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES,  NANODIFFUSION AND NANOSTRUCTURED MATERIALS  www.dsl2010-paris.com

   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

4

ADVANCED COURSE IN:

NANOSTRUCTURED MATERIALS MANUFACTURING, CHARACTERISATION AND APPLICATIONS

21‐23  September,  2009   THE RITZ CARLTON HOTEL   Kuala Lumpur ‐ MALAYSIA

FOCUS 1:

‘Structural, Functional and Superhard Nano‐Structured Materials:  scientific Fundamentals and Industrial applications’ LECTURER:           Professor Dr.  Dr.  h.c. Stan Veprek Technical University Munich,  Germany ……………………

FOCUS 2:

‘Advanced Materials Characterization Techniques: surface  and structural analysis’ LECTURER:            Professor  Dr. Sam Zhang Nanyang Technological University,  Singapore

……………………… WHO SHOULD ATTEND? Peoples from academia and industry working in the area of nanostructured materials are encouraged to attend this course to deepen and widen their knowledge. In addition, the course is designed for those who would like to start to work in the challenging area of nanotechnology. .................................. REGISTRATION FEE: 980 EUR * (*) Registration includes:  • 3 full days course with two well‐ known Lectures,   • Printed Course Materials, • Course Certificate, • 2 refreshments daily,  • Lunch at  The Ritz Carlton Hotel (daily / 3 days)

CONTACT: IRONIX‐ CONTINUING EDUCATION E‐mail: info@ironix‐conferences.com Fax: 00 755 37727 (IRONIX ‐ Malaysia) Contact person: Ms. Meire Gomes www.ironix‐conferences.com NOTE: this course  is limited to a small number of  participants, reserve your place soon!

         

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

5

    …………………………………………………..    TABLE OF CONTENTS:      8  PLENARY LECTURES  Experiments, theory and modelling of heat transport and fluid flow  

12 

Mass transport and related phenomena in metals and alloys 

46 

diffusion in amorphous materials 

70 

Mass transport and related phenomena in non‐metallic materials 

73 

Theory and modelling of mass transport and related phenomena 

100 

Industrial Applications of Mass Transport and Related Phenomena 

134 

Reactive Diffusion 

177 

Mass Transport and Related Phenomena in Natural Products and Pharmaceuticals 

156 

SPECIA SESSION:Heat and Mass Transfer in Porous Media 

179 

SPECIAL SESSION: Grain boundaries and interfaces: structure, thermodynamics and diffusion properties 

219 

SPECIAL SESSION: Heat Transfer in Cellular and Composite Materials 

230 

SPECIA L SESSION: Diffusion in Intermetallics 

239 

Characterization and Properties of Hard Coatings 

258 

SPECIAL SESSION: Microstructural Control Through Diffusion Processes 

278 

  SPECIAL SESSION: Frontiers of Nanostructured Materials 

298 

SPECIAL SESSION ON: Microstructural Analysis and Properties of Materials 

361 

  DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

6

 

Plenary Lectures                                             

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

7

  DSL‐2009 Honorary Chairman       VIP‐DSL008  Prof. B. Bokstein  Moscow Institute of Steel and Alloys,   RUSSIA  

  Opening Lecture: Diffusion at Short Circuits.   State of the Art  B.S. Bokstein       

Evidence for solid‐state diffusion ( the second half of 19th century).  The first measurements of solid state diffusion ( W.Roberts‐Austin(1896) – 1922).  The first tracer experiments to determine the solid‐state diffusion (G.von Hevesy,1913 – 1923).  The first evidence of accelerated diffusion in polycrystalline materials (1924 – 1935).  Autoradiographic studies of grain boundary diffusion (50th of 20th century).  The first quantitative experimental and theoretical studies  of the “short circuiting” diffusion (beginning  from 1949, D. Turnbull and R. Hoffman – General Electric Research Lab.): radiotracer serial sectioning  method, Fisher’s model (1951)for grain boundary diffusion, exact solutions and developments of  Fisher’s model (1954 – 1963).  The progress in the experimental methods for determination of grain boundary diffusion data and  results of measurements for different metallic systems ( up to date).  The measurements of grain boundary diffusion parameters in B and C regimes.  The measurements of diffusivities along migrating grain boundaries, dislocation pipes, low‐angle grain  boundaries, phase boundaries, triple junctions of grains.  Diffusion in thin films. Effect of gradient energy and stress.  Grain boundary diffusion and grain boundary segregation. Nonlinear segregation effects.  Structural effects of grain boundary diffusion. Diffusion in bicrystals. Diffusion in nanocrystals.  Grain boundary wetting and grooving.  Computer simulation of grain boundary diffusion  Mechanisms of grain boundary diffusion  Conclusion: where and why are we going?             

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

8

  VIP‐DSL075  Prof. M.A. Dayananda  Purdue University,   West Lafayette, Indiana ‐ 47907,  USA  

 

         

Selected Analyses and Observations in   Multicomponent Diffusion        Selected  isothermal  diffusion  studies  in  ternary  and  quaternary  systems  are  reviewed  in  order  to  present analytical and experimental approaches adopted for the determination of interdiffusion fluxes  of  components,  interdiffusion  coefficients,  diffusional  interactions  among  components,  and  internal  consistency in the experimental data.   Several  interesting  phenomena  and  observations  including  uphill  diffusion,  zero‐flux  planes  and  flux  reversals,  flux  reversals  at  interfaces,nonplanar  interfaces,  demixing  of  phases,  uncommon  diffusion  paths,  and  diffusion  structure  evolution  are  illustrated  with  selected  single  phase  and  multiphase  diffusion couples in Cu‐based and Fe‐based ternary systems.  The main challenges involved in the experimental determination of interdiffusion data from                

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

9

  VIP‐DSL065  Prof. G.P. Celata  ENEA, Energy Department,   Institute of Thermal‐Fluid, Dynamics,  Rome, Italy  

   

    Single and Two‐Phase Flow Heat Transfer   in Micropipes    Partly  because  of  the  technological  challenge,  partly  because  of  stark  necessity,  there  has  been  an  increasing movement towards a miniaturization of appliances in the last decade. In all technical fields  solutions  are  sought  that  encumber  as  little  as  possible  without  compromising  on  performance:  in  medical diagnostics, environmental sample analysis, military defence, consumer electronics, biomedical  appliances, chemical reactors and heat management a constant research for quicker response times and  portable devices has driven the field of microtechnology to impressive levels. In many applications it has  been found that many small active components are more productive than few large ones, which is also  in keeping with the growing trend towards modular design.   Proper understanding of microscale transport phenomena is therefore fundamental for the designer of  microfluidic  devices.  For  this  reason,  many  studies  have  been  conducted  to  analyse  the  behaviour  of  convective flow through microchannels, both in single‐phase and in two‐phase flow. A first glance of the  literature,  especially  for  single‐phase  flow,  leads  to  the  conclusion  that  up  to  now  we  have  had  an  agglomeration of disparate conclusions. In many cases the experimental data in microchannels disagree  with  the  conventional  theory  and  empirical  correlations,  but  they  also  appear  to  be  inconsistent  with  one another. The present lecture is an attempt to critically analyse the available results for liquid single‐ phase  and  flow  boiling  heat  transfer,  trying  to  provide  some  sort  of  base  note  in  the  melisma  of  published data.    

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

10

Experiments, Theory and Modelling of Heat  Transport and Fluid Flow

   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

11

DSL224  Dr. Imen Gaied  Institut Préparatoire Aux Etudes d’Ingénieur de Nabeul IPEIN Merazka   8000 Nabeul,  Tunisia 

 

Investigation of optical and thermo‐electrical properties of SnSb2S4 thin layer using the  Photothermal Deflection Technique  Imen Gaied1, Abdelaziz Gassoumi2, Mounir Kanzari2 and Noureddine Yacoubi1  1Institut Préparatoire Aux Etudes d’Ingénieur de Nabeul IPEIN Merazka 8000 Nabeul‐Tunisie  2ENIT BP 37, le belvédère 1002 Tunis‐Tunisia    Sulfosalt SnSb2S4 films have been deposed on glass substrates by thermal evaporation and subsequently thermally annealed  in vacuum at temperatures from 100 to 200 °C. Below a transition temperature of 140 °C., the films are highly resistive with a  dominant  amorphous  component,  however  above  this  temperature,  the  samples  exhibit  p+‐type  semiconductor  behavior  with a dominant crystalline component .In this work we have studied the thermal and optical properties of these films using  the photo thermal deflection technique. The thermal properties are determined by comparing the experimental amplitude  and  phase  curves  variations  versus  square  root  modulation  frequency  of  the  photo  thermal  signal  to  the  corresponding  theoretical ones. The best theoretical fitting curves are obtained for well‐defined values of thermal conductivity and thermal  diffusivity. The optical absorption spectrum is obtained by comparing the experimental normalized amplitude of the photo  thermal  signal  curves  variations  versus  wavelength  to  the  corresponding  theoretical  curves  variations  versus  optical  absorption  coefficient.  We  have  determined  the  energy  gap  by  using  the  Tock  law.  From  a  measure  of  the  sample’s  resistance,  one  can  deduce  the  electrical  resistivity  so  the  electrical  conductivity  which  may  be  correlated  to  the  thermal  conductivity.       ………………  VIP‐DSL042  Prof. J. P. Rino  Departamento de Física,   Universidade Federal de São Carlos  Via Washington Luiz km 235,   13569‐080, São Carlos, SP   Brazil 

 

Equilibrium and non equilibrium Molecular Dynamics calculations of heat conduction in  InSb  Giovano de Oliveira Cardozo and José Pedro Rino  Departamento de Física, Universidade Federal de São Carlos  Via Washington Luiz km 235, 13569‐080, São Carlos, SP ‐ Brazil    Thermal  conductivity  of  materials  at  nanometrical  scales  is  a  prime  subject  of  material  sciences  and  engineering,  mainly  because  of  the  large  application  of  nanoscaled  materials  in  microeletronics,  where  it  is  always  necessary  to  combine  high  performance and low costs.  In  molecular  dynamics  there  are  two  main  ways  to  calculate  thermal  conductivity  coefficients.  The  first  is  the  equilibrium  one,  where  the  Fourier  transformation  of  the  heat  current  autocorrelation  function,  at  zero  frequencies  limit,  gives  the  thermal  coefficient  value  (Green‐Kubo  formula).  The  second  method  is  the  direct  one,  or  non  equilibrium,  where  a  temperature gradient is imposed to the system, generating a heat current which is related to the gradient and to the thermal  conductivity  coefficient  via  Fourier  law.   Here  it  is  shown  the  results  for  equilibrium  and  non  equilibrium  calculations  of  thermal  conductivity  coefficient  in  bulk  systems of InSb using an effective two‐ and three‐body interatomic potential which has been very transferable.   For equilibrium  calculations a cubic system  with  5 unit cells  side, and  consequently 1000  particles, and  periodic boundary  conditions  in  all  directions,  was  used.  The  average  heat  current  autocorrelation  function  was  calculated  for  a  0.03ns  time  interval,  which  was  long  enough  to  stabilize  the  system,  over  1000  independent  runs.  This  procedure  was  repeated  for  5  temperatures, 300K, 400K, 500K, 900K and 1000K, and the results were compared to experimental data. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

12

 For non equilibrium calculations systems with 5x5xN unit cells, and periodic boundary conditions, with four different values  of N, were used: 50 (resulting in 10000 particles), 200 (with 40000 particles), 400 (with 80000 particles) and 640 (with 128000  particles). The temperature gradient was imposed by adding and subtracting an amount of energy Δε respectively in a hot  and  a  cold  reservoir,  placed  in  regions  of  the  system  separated  by  a  distance  L.  In  the  stationary  regime  the  temperature  gradient  between  reservoirs  is  linear  and  its  slope  and  the  mean  value  of  Δε  are  related  to  the  thermal  conductivity  coefficient  by  the Fourier Law. In the limit of infinite length system, by extrapolation, this thermal coefficient tends to the  correct  value  for  the  material  under  investigation.  The  temperatures  in  hot  and  cold  reservoirs  were  fixed  respectively  at  250K  and  350K  for  all  systems.  Simulations  were  made  for  at  least  106  time  steps,  to  reach  stationary  regime.  Once  stationary regime was reached, another run of 106 time steps, or 1,5ns, was proceeded to obtain the coefficient value.  In  these  calculations  in  both  cases,  equilibrium  and  non  equilibrium,  the  obtained  results  were  comparable  to  the  experimental  data.  For  equilibrium  calculations  at  300K  the  coefficient  value  was  about  10  W  m‐1  K‐1,  which  is  in  good  accordance  with  non  equilibrium  calculation,  whose  obtained  value  was  about  16  W  m‐1  K‐1.  Both  cases  are  in  good  agreement with experimental data of 15 Wm‐1 K‐1 reported by Magomedov and Bilalov.1      1‐ Y. B. Magomedov and A. R. Bilalov, Semiconductors 35, 499‐501 (2001).      ………………  DSL528  Prof. Ivana Salopek Čubrić  University of Zagreb, Faculty of Textile Technology,   Prilaz baruna Filipovica 28a,          10 000 Zagreb, Croatia   

The Simulation of Heat and Vapour Transfer Trough Fibrous Materials  I. Salopek Čubrić, Z. Skenderi   University of Zagreb, Faculty of Textile Technology, Prilaz baruna Filipovica 28a, 10 000 Zagreb, Croatia    The  heat  and  water  vapour  transmitting  properties  of  fibrous  materials  are  important  factors  that  affect  the  clothing's  comfort  as  well  as  the  quality  of  special  functional  clothing  that  is  worn  in  extreme  environmental  conditions.  In  order  to  maintain the total balance within the body, the role of fibrous materials is to contribute to the maintenance of the following  equation:   M ‐ W = R + C + E + L + K + S, where: M = total rate of energy production determined from the rate of oxygen consumption;  W = rate at which external work is being performed; R = radiation; C = convection; E = evaporation; L= warming and wetting  of air which is inhaled and then exhaled; K = conduction and S = rate of storage of heat in the body.  The paper introduces advanced system for the simulation of physiological processes that appear next to the human skin. Its  use  enables  the  measurement  of  heat  and  vapour  transfer  trough  fibrous  structures,  as  well  as  determination  of  vapour  permeability  and  permeability  index.  The  experiments  reported  here  refer  to  the  measurement  of  a  number  of  fibrous  materials  used  for  the  next‐to‐skin  wear.  For  the  measurement  have  been  produced  materials  that  differ  either  in  their  structure or raw material in order to observe the influences of different parameters to the transfer properties. The transfer  trough fibrous materials is mainly affected by its structure that comprises of a repeat units with cellular geometry containing  air pores, yarns that form basic structure and intersection points of two or more yarns. Therefore, the structure of materials  is also investigated and described by means of fabric moduli. Dynamics of heat and vapour transfer is observed through the  experimentally obtained  data and the influence of a number of structural parameters is discussed. The statistical methods  are used to qualify the effects of investigated variables on the heat and vapour resistance.    ………………  DSL042  Prof. Pavol Koštial  Faculty of Metallurgy and Materials Engineering,   Department of Materials Engineering,  17. listopadu 15/2172, 70833 Ostrava‐Poruba,  Czech Republic 

 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

13

Thermo ‐ Mechanical Material Analysis  Pavol Koštial1, Ivan Ružiak2, Zdeněk Jonšta1, Miroslav Tvrdý1  1 Faculty of Metallurgy and Materials Engineering, Department of Materials Engineering, 17. listopadu 15/2172, 70833  Ostrava‐Poruba, Czech Republic  2 Institute of Material and Technological Research, Faculty of Industrial Technologies, University of Alexander Dubček in  Trenčín, I.Krasku 491/30, 02001 Púchov, Slovak Republic  [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]    The  experimental  system  for  complex  thermo‐mechanical  material  analysis  (CTMA)  is  presented  in  this  paper.  System  provides  measurement  usual  for  tensile  test  as  well  as  heat  generation  in  the  process  of  deformation.  We  measured  the  cooling  curve  of  the  sample  after  its  deformation.  On  the  basis  of  exponential  model  of  cooling  body  with  respect  to  Biot  number (Bi ) value it is possible to calculate heat capacity cp [J/kgK], thermal diffusivity α [m2/s] and thermal conductivity λ  [W/m.K]..  The  method  had  been  tested  on  the  variety  of  materials  and  the  results  were  compared  to  those  in  charts  or  obtained  by  reference  independent  experiments.  We  obtained  very  good  agreement  of  all  obtained  experimental  results  with those of comparative ones.      ………………  DSL260  Dr. Rita Aguilar Osorio  Instituto Politécnico Nacional – Sección de Estudios   de Posgrado e Investigación  Unidad Profesional Adolfo López Mateos.   Edificio 5, 3er. Piso Col. Lindavista, C.P. 07738,  Mexico, D.F.   

Numerical Simulation of Heat Loss between a Partition Plate and   the Wall of the Head of a Plastic Heat Exchanger  R. Aguilar Osorio1 and K. Cliffle2  1Instituto Politécnico Nacional – Sección de Estudios de Posgrado e Investigación  Unidad Profesional Adolfo López Mateos. Edificio 5, 3er. Piso  Col. Lindavista, C.P. 07738, Mexico, D.F. E‐mail address: [email protected]  2Department of Mechanical and Chemical Processes Engineering, Sheffield University.  Mappin Street, Sheffield S1 3JD, UK    For this research was considered that the heat exchanger was affected by leakage in the head across the partition plate and  the  wall  between  the  tube  passes.  Leakage  was  a  problem  in  the  plastic  shell  and  tube  heat  exchanger,  because  it  was  difficult to seal the partition plate to the head of the exchanger. The material used for manufacturing the heat exchanger was  polyvinylidene  fluoride,  PVDF.  In  order  to  predict  the  amount  of  flow  leaking  through  the  clearances  of  the  tube  passes  a  numerical  simulation  was  carried  out  using  a  computational  Fluids  Dynamics  CFD  Fluent  Software.  The  results  of  this  simulation were used to investigate if the flow leakage affected the heat transfer performance of the exchanger sufficiently  to require improvement of the design. To obtain the percentage of the heat loss across the tube passes different clearance  sizes between the partition plate and the wall of the head of the exchanger were analyzed, for 4 tube passes. For the smaller  clearance  size  of  0.2  mm  the  heat  transfer  coefficient  was  reduced  up  to  15%.  These  results  suggest  that  the  flow  mass  bypassing the head between tube passes affect the results of the heat transfer coefficient and confirm the observed from the  experimental results, that its performance was affected by leakage between tube passes.  This research served as an extension of the preliminary plastic heat exchanger design. The leakage problem was overcome, in  a  current  design,  fixing  the  partition  plate  on  the  wall  of  the  head  and  sealing  very  carefully  the  components  of  the  heat  exchanger.   ……………  DSL044  Dr. Hayder A. Abdul Bari  Faculty of Chemical and Natural Resources Engineering,   University Malaysia Pahang,   Malaysia   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

14

Glycolic Acid Ethoxylate 4‐Tert‐Butylphenyl Ether as  Drag Reducing Agent in Aqueous  Media Flow   Hayder A.Abdul Bari1, Emma Suali1 and Zulkafli Hassan1   1Faculty of Chemical and Natural Resources Engineering, University Malaysia Pahang, Malaysia.  2Faculty of Pharmacy, International Islamic University Malaysia    Glycolic acid ethoxylate  4‐tert‐butylphenyl  ether  was  used as  investigated  anionic  surfactants in this experimental  work.  A  built up rig with ratio of pipe length to diameter (L/D) is equal to 59 was used to achieve the purpose of this work which to  investigates the drag reduction in turbulent flow with different flow rates and concentration of additive. In a present study,  the concentrations (ppm) of additive were analyzed starting from 200, 300, 400, 500 and 600, respectively. The flow rates  (Re) of solution were from 11235, 22470, 33705, 44940, 56175, 67410 and 78645, respectively. It was found that glycolic acid  ethoxylate 4‐tert‐butylphenyl ether capable to reduce drag less than 10 %. The highest drag reduction was achieved is 8 % in  600 ppm of solution for turbulent flow with Re within range 44940 to 56175. The results of experimental work shows that  these anionic surfactants perform as a poor drag reducing agent due to its drag reduction values increases only 1 to 3 % even  though  the  concentration  of  solution  was  added  about  100  ppm.  This  is  occurred  probably  because  of  the  formation  of  micelle in solution is not in a fully threadlike forms.       Keywords:  Drag reduction; critical micelles concentration; turbulent flow; Anionic surfactants         ………………  DSL276  Dr. R. Leticia Corral‐Bustamante   Instituto Tecnológico de Ciudad Cuauhtémoc,   Cuauhtémoc, Chihuahua, Av. Tecnológico S/N,   Z.P. 31500, México   

Heat Transfer in Black Holes   R.L. Corral‐Bustamante*, D. Sáenz, N.I. Arana   Instituto Tecnológico de Ciudad Cuauhtémoc, Cuauhtémoc, Chihuahua, Av. Tecnológico S/N,  Z.P. 31500, México.  *Corresponding author:  E‐mail:  [email protected]   Phone & Fax: +52 625 581 1707 Ext. 114.    During modeling of gigantic masses in continuum space‐time, some of the solutions to the relativistic equations of Einstein  give rise to singularities which allow predict heat transfer that it is originated in black holes of huge intensity of gravitational  field [1].  A black hole is a thermodynamic system whose volume of control is bounded by the event horizon; the occurrence  of heat transfer in its interior and its boundary can be expressed by the degree of disorder or entropy, which is indicative that  black  hole  shows  emissions.    Therefore  a  black  hole  is  not  so  black,  due  to  the  radiation  produced.    The  electromagnetic  emission of particles of the black hole to the surroundings can lead to its extinction or collapse.  In  this  paper  a  metric  is  postulated  starting  from  a  entropy  balance  of  a  black  hole  as  a  thermodynamic  system  which  contains the energy transport across the border, due to mass transfer, heat transfer and work, and the generation of entropy  [2,3].  The  relativistic  equation  obtained  is  treated  as  a  quantum  equation  (quantum  gravity).    Of  the  calculations  made  in  terms of general relativity and thermodynamics principles for huge masses, is presented evidence of a Big Bang probable:  A  principle of the universe through the singularity found, and it is clarified an expanding universe due to degree of disorder.      [1] A. Ashtekar, V. Taveras, M. Varadarajan, Phys.Rev.Lett., 100, 211302 (2008).  [2] J.L. Tane, J. of Theoretics, 2, 3 (2000).  [3] J.L. Tane, J. of Theoretics, 3, 4 (2001).       ………………  DSL150  Dr. Yogesh Jayant Bhalerao  Maharashtra Academy of Engineering,   Alandi (D), Pune, (MS), India 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

15

  Thermal Modeling of Wet Grinding Process by using Design of Experiments  Y.J. Bhalerao1, S.R. Kajale2  1Maharashtra Academy of Engineering, Alandi (D), Pune, (MS), India.  2SGGS Institute of Engineering and Technology, Nanded, (MS), India.    Grinding in general is a very complex material removal operation involving cutting as well as ploughing and rubbing between  the  abrasive  grains  and  the  work  material.  The  high  temperatures  are  major  source  of  thermal  damage  on  the  machined  surface.  In  the  previous  work  a  simple  moving  heat  source  model  has  been  developed  to  estimate  maximum  workpiece  surface and average workpiece surface temperature during surface grinding process in dry condition. The model is validated  by using Design of Experiments (DoE) techniques. In this paper the previous model is further developed to find maximum and  average workpiece surface temperature during surface grinding process in wet condition. Experimentation is done on ferrous  as well as non – ferrous materials.  Although widely used in industry, grinding remains perhaps the least understood of all machining processes. How it is applied  is  often  depends  upon  the  experience  of  the  operator,  rather  than  scientific  knowledge.  Despite  the  extensive  research  determining desirable operating parameters of grinding processes in an industrial setting often relies on operator’s skills and  trial  and  error  approach.  This  is  due  to  the  difficulty  of  transferring  the  laboratory  based  research  results  and  available  models to industrial practice where grinding set‐ups and parameters are different and also there is lack of the symmetrical  tool to integrate various heterogeneous models and information. This research paper attempts to highlight and try to give  solution for the same.    [1] Malkin, S. and Guo, C. “Grinding Technology: Theory and applications of machining  with abrasives” Second Edition, Industrial Press, New York, 2008.  [2] Malkin, S. and Guo, C. “ Thermal Analysis of grinding” Annals of CIRP –  Manufacturing Technology, Keynote Paper, Volume 56/2 (2007), pp. 760 – 782.      ………………  DSL519  Dr. Sunil Kr. Jain   University College of Engineering,   Rajasthan Technical University,   Kota‐324022, India   

Correction Factor for the Estimation of Effective Thermal  Conductivity of High Porosity Two Phase Systems  1Sunil Kr. Jain, 2Ramvir Singh  1University College of Engineering, Rajasthan Technical University, Kota‐324022, India  2Heat Transfer Lab, Department of Physics, University of Rajasthan, Jaipur‐302004, India    The  transport  of  heat  across  a  porous  system  with  either  open  or  closed  cells  is  dominated  by conduction. Because  of high  porosity, these systems have large applications  in lightweight structures, vibration  control,  energy  management  etc.  Polyurethane  and  ceramic  foams  play  an  important  role  in  thermal  insulation  applications  like  packing of  food,  chemical  catalytic  reactor and solar  energy  applications. On the  other hand metallic  foams  like aluminum  and titanium foams find use in erecting light structures where strength and toughness is important. These metal foams have  better  utilization  in  cooling  towers,  heat  shielding  in  aircraft  exhaust,  high  power  electronic  devices  etc.  For  a  variety  of  applications of these materials, study of their thermophysical properties is essential.  The  effective  thermal  conductivity  of  such  systems  is  mainly  dependent  on  porosity,  thermal  conductivity  of  constituent  phases  and  morphology  of  cells.  Single  theoretical  expression  cannot  provide  the  estimation  for  effective  thermal  conductivity for all kind of such systems and geometries, which exist in real physical systems. A theoretical expression for ETC  of high porosity two phase systems presented here is based on equivalent thermal resistors formed out of phases in the form  of parallel slabs and resistor model approach has been used.  We propose and use a model to calculate effective thermal conductivity by taking into account the randomization of series  and  parallel  arrangements  of  heat  flux  lines.  To  incorporate  the  interaction  between  phases,  a  correction  factor  has  been  introduced which has been developed by simulation of data available in the literature. This factor is correlated in terms of  weightage  of  thermal  conductivities  with  fractional  volumes  of  the  constituents.  The  expression  for  correction  factor  has 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

16

been taken out in terms of thermal conductivities of solid and fluid phase for proper correlation with the involved phases.  Later effective thermal conductivity is calculated by incorporating the correction factor for various samples of metallic foams  and twophase highly porous system. The results so obtained are in resemblance with the available values of effective thermal  conductivity for these high porosity systems.     Keywords: Correction factor, Effective thermal conductivity, Porosity, Series and parallel  resistors.      ……………… 

DSL085  Dr. K. J. Singh   Department of Physics,    S.G. N. Khalsa P. G. College,    Sri Ganganagar–335 001   INDIA   

Computational Aspects of Effective Heat Storage Coefficient of    Multi‐phase Systems  K. J. Singh1 and Ramvir Singh2   1Department of Physics, S.G. N. Khalsa College, Sri Ganganagar (Raj.) – 335 001.    2Heat Transfer Laboratory, Department of Physics, University of Rajasthan, Jaipur ‐ 302 004, India.    A theoretical model, to predict effective heat storage coefficient (HSC) from the values of HSCs of the constituent  phases  and  their  volume  fractions  for  real  two  phase  systems  is  presented,  assuming  an  effective  continuous  medium (ECM), it is extended to three phase moist porous materials. Particles are assumed to be ellipsoidal in  shape and arranged in three‐dimensional cubic array. The arrangement has been divided into unit cells, each of  which contains an ellipsoid.  The HSCs of  the unit cell has been determined by  applying  resistor  model.  To take  account of the non‐linear flow of heat flux lines in real systems, incorporating an empirical correction factor in  place of physical porosity modifies an expression for HSC. An effort is made to correlate it in terms of the ratio of  HSCs of the constituents and the physical porosity. To test the validity of the derived expression, the HSC of some  building  materials  saturated  with  different  liquids  has  been  determined.  A  good  agreement  has  been  found  between the experimental and the predicted values reported in the literature.     Key words: Effective heat storage coefficient; effective continuous medium; porous media; correction  factor                ………………  DSL210  Mr. Yogesh Sonavane  Otto von Guericke University,    The Institute of Fluid Dynamics and Thermodynamics University platz 2,   Post box 4120, Magdeburg,   39106 Germany 

  Numerical Modeling of the Rotary Kilns in the Industrial Processes  by Using ANSYS (Finite Element Method)  E. Specht1, Y.S. Sonavane2  1 Otto von Guericke University,  The Institute of Fluid Dynamics and Thermodynamics University platz 2, Post box 4120,  Magdeburg, 39106 Germany   2 Otto von Guericke University,  The Institute of Fluid Dynamics and Thermodynamics University platz 2, Post box 4120, 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

17

Magdeburg, 39106 Germany    Heat transfer mechanism is complicated in case of rotary kiln as it includes conduction, convection and radiation at a same  time.  The  heat  transfer  model  has  to  be  solved  numerically  because  of  the  two‐dimensional  problems  which  consider  the  thermal  heat  conduction  in  radial  and  circumferential  direction.    In  order  to  predict  and  improve  the  evolution  and  the  distribution of temperatures in the rotary furnace, a numerical analysis is undertaken using ANSYS 11 finite element package.  The standard element type plane 55 for two dimensional thermal solids is used. A numerical simulation includes temperature  distribution on the internal surface of the wall in order to improve the understanding of the heat transfer process across it.  Analysis  of the temperature distribution across the circumferential and radial direction, temperature fluctuation causes on  the  boundary  conditions  were  studied  thoroughly.  All  results  clearly  indicates  the  temperature  distribution  for  different  angular  velocity  and  with  different  heat  transfer  coefficients  under  different  filling  degree.  Penetration  depth  have  been  easily observed in on the radial side of the wall. Penetration depth is around 12 mm where all curve meet together. Only this  thickness takes part in heat transfer process. Temperature at the solid side is decrease continuously and at the gas side it first  increase  because  of  regenerative  heat  phenomenon.  Experimental  results  are  qualitatively  matches  with  the  Numerical  results. Temperature fluctuations increase with increase in rotational speed has been observed.       ………………  DSL252  Prof. Mónica Oliveira  Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Aveiro,   Campus Universitário de Santiago, 3810‐193 Aveiro,   Portugal   

Thermodynamic and Transport Properties of CNT Water   Based Nanofluids  J.Ponmozhi1, F.A.M.M.Gonçalves2, A.G.M.Ferreira2, I.M.A.Fonseca2, S.Kanagaraj3 and M.S.A.Oliveira1  1 Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de Aveiro, Campus Universitário de Santiago, 3810‐193 Aveiro,  Portugal  2 Departamento de Engenharia Química, Universidade de Coimbra, Pólo II, Rua Sílvio Lima, 3030‐790 Coimbra, Portugal  3 Mechanical Engineering Department, IIT Kanpur, Assam, India    Carbon nanotubes (CNTs) ‐ perhaps the most enticing class of nano‐materials are added in small volume fractions to enhance  thermal properties of fluids when process intensification and device miniaturization are required. This work reports on the  results  obtained  when  measuring  viscosity,  surface  tension,  density  and  thermal  conductivity  of  homogenous  carbon  nanofluids.  The  influence  of  CNTs  volume  concentration  on  the  nanofluid  thermo  physical  properties  is  studied  and  measurements are undertaken at different temperatures, ranging from 10ºC to 60ºC.  The nanofluids were prepared by adding different volume concentrations of treated CNTs to water. The latter were sonicated  for one hour and the colloidal stability was monitored with a UV‐spectrophotometer, the absorbance of the nanofluid was  observed  at  253nm,  the  average  concentration  of  CNT  was  maintained  at  9.35mg/l  even  after  200  hours,  over  97%  when  compared with the initial concentration. As the volume concentration increases, the viscosity rises, for the same shear rate  and temperature [1].  The  viscosity  was  measured  using  a  controlled  stress  rheometer  .The  measurements  were  performed  in  the  shear  rate  ranging from 0 to 1200 sec‐1. The thermal conductivity was measured with a KD2 Pro thermal property tester from Decagon  devices  and  the  results  show  that  thermal  conductivity  rises  with  CNTs  concentration.  A  further  steeper  rise  in  thermal  conductivity,  for  high  volume  percentages  and  higher  temperatures,  can  be  observed,  being  the  results  in  accordance  to  those reported by [2, 3]. Therefore, it can be observed a thermal conductivity rise up to 45 % for CNTs concentration of 5%  vol, when compared with its value for the base fluid water, between 10ºC and 30ºC, and a 70% increase for 40 and 50ºC up  to 1% vol. Being results obtained, in close agreement with those obtained by Ding et al [3].    [1] G.H.Ko, K.Heo, K.Lee, D.S.Kim, C.Kim, Y.sohn, M.Choi, Int J Heat and Mass Transfer, 50,. 4749 (1990).  [2] S.U.S.Choi, Z.G.Zhang, W.Yu, F.E.Lockwood, E.A.Grulke, Appl Phy Letts, 79, 2252 (2001).  [3] Y.Ding, H.Alias, D.Wen, R.A.Williams, Int J Heat and Mass Transfer, 49, 240 (2006).      ……………… 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

18

DSL302  Prof. Jose Alberto Reis Parise   Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro,   Rio de Janeiro, RJ, 22453‐900, Brazil   

A Numerical Study on the Application of Nanofluids in Evaporators  J.C.V. Loaiza, Y.R. Benito, F.C. Pruzaesky, J.A.R. Parise  Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, 22453‐900, Brazil    The present paper is part of a broader project aiming at the characterization of heat pumps employing nanofluids.  The addition of nanoparticles to liquids forms the  nanofluids, which have shown to enhance significantly the heat  transfer  characteristics  of  the  solution.  In  this  work,  a  mathematical  model  is  presented  describing  a  straight  double‐pipe  horizontal  evaporator,  with  refrigerant  flowing  through  the  annular  section  and  the  heat‐transfer  fluid flowing through the inner tube. A multi‐zone model is employed. The evaporator is divided into two zones:   boiling two‐phase and superheated vapor. Four  different nanofluids are studied: H2O/Cu, H2O/CuO, H2O/Al2O3  and H2O/TiO2. Models for the determination of the thermodynamic and transport properties, as well as of the  heat transfer and pressure droop mechanisms, were employed [1,2,3] to describe the nanofluids. Energy balances  and heat‐transfer equations were applied to each zone of the heat exchanger resulting in a system of non‐linear  equations. Results have shown that the use of nanofluids in evaporators as secondary fluids, reduced the required  refrigerant volume, thus reducing its environmental impact.    [1] S.P. Jang and S. Choi,  Role of Brownian Motion in the Enhanced Thermal Conductivity of Nanofluids, Applied  Physics Letters, 84, pp 4316‐4319, (2004).  [2] V. Velagapudi, R.K. Konijeti, C.S.K. Aduru,  Empirical Correlations to Predict Thermophysical and Heat Transfer  Characteristics of Nanofluids, Thermal Science, 12, 2, pp 27‐37, (2008).  [3] W.S. Heris, N.M. Esfahany, Gh.S. Etemad, Experimental Investigation of Convective Heat Transfer of  Al2O3/water Nanofluid in Circular Tube, International Journal of Heat and Fluid Flow, 28, pp 203–210, (2007).      ………………  DSL347  Dr. Kalaiselvam.S   Department of Mechanical Engineering,   Anna University Chennai, India – 600025 

 

Application of Anodized/ Spray Pyrolysed Nanoporous Structure in Convective   Heat Transfer Appliances  Kalaiselvam.S*, Gugan.M.S, Kuraloviyan.E, Meganathan.R,Niruthiya Priyan.A, Swaminathan.M.R  Department of Mechanical Engineering, Anna University Chennai, India – 600025    This  paper  investigates  the  augmentation  of  convective  heat  transfer  by  administering  nanoporous  layers  formed  by  electrochemical anodization and spray pyrolysis. The control parameters of the fabrication process are studied to prepare a  nanoporous layer with maximum porosity for heat transfer applications. The nanoporous layers formed are perused with the  help  of  scanning  electron  microscope  and  atomic  force  microscope.  Nanoporous  structures  formed  on  the  metal  surface  enhance the capillary action which leads to considerable increment in convective heat transfer. The nanostructures formed  on the surface aid in achieving the turbulence expeditiously. Nanoporous layers increment the heat transfer of polished bare  metals  with  waviness  0.2  μm  to  a  maximum  of  133.3%.  Outcome  of  experiments  illustrate  an  impressive  heat  transfer  augmentation  of  58.3  %  in  etched  metals  of  surface  roughness  3  μm.  Nanopores  of  size  75  to  95  nm  formed  by  electrochemical anodization, and pores of size 40 – 50 nm formed by spray pyrolysis ameliorate the heat transfer by 130%.  This imposes a greater impact in design of compact heat exchangers in chemical and power plants. A novel technology for  effective utilization of thermal energy has been contrived and it has its potential applications in both active and passive heat  transfer augmentation methods. Influence of pore size and flow velocity on convective heat transfer is also investigated with  the help of compiled experimentation results.  

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

19

  Keywords:   Nanoporous surface, Electrochemical Anodization, Spray Pyrolysis, Convective heat transfer    * Corresponding author. Tel.: +91 44 2220 3262.  E‐mail addresses: [email protected] (Kalaiselvam.S), [email protected] (Gugan. M.S), [email protected]  (Kuraloviyan. E), [email protected] (Meganathan.R), [email protected] (Niruthiya Priyan. A),  [email protected] (Swaminathan. M.R)      ………………  DSL420  Prof. Amedeo Amoresano   Mechanical and Energetic Department,   Naples University “Federico II”   Via Claudio 21 80125  Italy    

Identification of the Thermal Diffusivity of Automotive Compounds Tyres Using a LASER  Source and IR Camera   A.Cristophe1, A.Amoresano2, D.Giordano2, M.Russo2   1National Research Council , Naples Via Claudio 21 80125 IT  2Mechanical and Energetic Department, Naples University “Federico II” Via Claudio 21 80125 IT     The operating temperature of the tires has a large influence on their performance in terms of handling and wear. With regard  to handling, this basically depends on the tire‐road interaction or, precisely, on the forces that the tire is able to receive from  the road and to pass to the vehicle. These interactions depend on the temperature, according to a law that is first increasing  and then decreasing with the temperature. So exists, at least in theory, an optimal temperature, or rather a range of optimal  temperatures that maximize the values of the forces exchanged by the way, fixed any other condition. The paper describes a    new methodology to measure the thermal diffusivity of the automotive tires compound. This methodology uses a laser as  thermal source to heat the surface of the insulated specimens taken from the tire. The knowledge of the thermal power of  the  laser  beam,  which  heats  a  surface  of  the  sample,  and  the  laws  of  temporal  temperature  measured  during  the  test  by  thermocouple and IR camera, allows identifying the diffusivity of the compound.      ………………  DSL438  Mr. S.V.S.S.N.V.G.K.Murthy  Department of Mathematics & Statistics,  Indian Institute of Technology Kanpur,  Kanpur‐208016, India   

Darcy Natural Convection in a Non‐Newtonian Fluid Saturated Square porous Enclosure  with a Wavy vertical Wall  S. V. S. S. N. V. G. Krishna Murthy , B. V. Ratish Kumar2      1, 2   Department of Mathematics & Statistics,  Indian Institute of Technology Kanpur, Kanpur‐208016, India.    In  this  paper  the  Darcy  natural  convection  process  induced  by  an  isothermal  vertical  wavy  wall  in  a  porous  enclosure  saturated  with  power‐law  type  Non‐Newtonian  fluid  is  considered.  The  coupled  non‐linear  partial  differential  equations  modeling such a free convection process are then solved by Finite element method. Numerical results illustrating the effects  of  the  governing  parameters  such  as  Rayleigh  number  (Ra),  power‐law  index  (n),  number  of  waves  per  unit  length  (N),  amplitude  of the wavy curve modeling the wall (a), phase of the wavy curve (Ф), on the convection process are presented.  The flow and temperature fields are analyzed through streamlines, isotherms and Local / Cumulative heat flux plots.    [1] B.V. Rathish Kumar, P.V.S.N. Murthy, P. Singh, IJNMFI, 28(4), 633, (1998)  [2] M.A. Hossain, D.A.S Rees, Acta Mechanica. 136, 133 (1999). 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

20

[2] G.B. Kim, J.M. Hyun, Numerical heat Transfer, Part‐A: Applications, 45, 569 (2004).  [3] B. V. R. Kumar, Shalini, Mohit Nigam, Vivek Sangwan, and S. S. N. G. K. Murthy (to appear) in Journal of Mechanics in  Medicine and Biology, (2009).   [4] Ching‐Yang Cheng, International Communications in Heat and Mass Transfer  (2009).      ………………  DSL511  Dr. Maximilian Serguei Mesquita   Departamento de Engenharia e Ciencias Exatas – Dece  Universidade Federal do Espirito Santo ‐ UFES,   Sao Mateus, ES, 29933‐415, Brazil 

 

Mixed Convection in a Vented Enclosure Filled with Square  Rods and with an Isothermal Vertical Surface  M.S. Mesquita1 and M.J.S. de Lemos2  1Departamento de Engenharia e Ciencias Exatas – Dece  Universidade Federal do Espirito Santo ‐ UFES, Sao Mateus, ES, 29933‐415, Brazil  2Departamento de Energia – IEME  Instituto Tecnologico de Aeronautica, Sao Jose dos Campos, SP, 12228‐900, Brazil    This work presents a numerical study for mixed convection flow in an enclosure with an isothermal wall filled with square  rods.  Forced  convection  flow  conditions  are  imposed  by  providing  an  inlet  at  the  bottom  of  the  isothermal  surface,  and  a  vent at the top, facing the inlet. Buoyancy is generated because of the difference in temperatures between the wall and the  through stream. Comparisons are obtained by numerically solving a conjugate heat transfer problem that considers both the  solid and the fluid space. Governing equations are solved using the finite volume method and the algebraic equation set is  relaxed with the SIP procedure. The average Nusselt number at the hot wall, obtained from the cavity with square obstacles  and for several Darcy numbers, are compared with those calculated with clean medium.      ………………  DSL340  Mr. Wonjae Choi   Graduate School,   Dept. of Refrigeration & Air‐conditioning Engineering,   Pukyong National University, Busan, 607‐739,   Korea   

Performance Characteristics of Capacity Control on Industrial Water   Cooler Using PMV   W.J. Choi1, H.W. Kim1, S.M. Baek1, H.J. Kang2, H.S. Lee3, J.I. Yoon3   1Graduate School, Dept. of Refrigeration & Air‐conditioning Engineering,    Pukyong National University, Busan, 608‐739, Korea   2Duksan Cotran, Daegu, 702‐030, Korea  3College of Engineering, School of Mechanical Engineering,    Pukyong National University, Busan, 608‐739, Korea    Recently, technical trend for machine tools is focused on enhancing of speed and accuracy. For high speed and high accuracy,  a thermal deformation must minimize in machine tools. To minimize the thermal influence, accuracy machine tools need to  be adopted a cooling system with high precision. In this study, we suggest a high accuracy water cooling system using PMV  (Pulse Modulation Valve) control. In this system, we use a compressor which is able to be driven in condition of unloading to  improve the efficiency of PMV control. And a vapor refrigerant from the suction side of the compressor is injected back into  the compressor suction side again using a solenoid valve. The PMV control can be used by this method. Also, by comparing  with the existing ON‐OFF control method on identical operating conditions, we evaluated the efficiency and reliability of the  new  method.  This  method  showed  the  shorter  reaction  time  than  that  of  the  existing  method.  Also,  the  efficiency  and 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

21

performance improved by lower compressor work using the vapor injection without compressor stop. This result will be used  for a basis data of comparative experiment with inverter control and manufacture of high accuracy water cooling system.       Acknowledgments: This research was supported by Duksan Cotran and Small and Medium Business Administration (SMBA) of  the Korean government.    [1] M. Yaqub, S.M. Zubair, J.R. Khan, J. Energy, 25, 543 (2000)   [2] C.P. Tso, Y.W. Wong, P.G. Jolly, S.M. Ng,  J. International Journal of Refrigeration., 24, 543 (2004).  [3] C.M. Kim, Y.J. Hwang, Y.H. Ryu and K.S.Cho, Conf. SAREK (2001).      ………………  DSL354  Mrs. Naďa Beronská   Institute of Materials and Machine Mechanics,   Slovak Academy of Sciences, Račianska 75,   831 02 Bratislava 3, Slovak Republic   

Thermal Conductivity and Thermal Expansion of Copper Matrix   Composites Reinforced  with high modulus C fibres  N. Beronská, P. Štefánik, K. Iždinský,  Institute of Materials and Machine Mechanics, Slovak Academy of Sciences,  Račianska 75, 831 02 Bratislava 3, Slovak Republic    Thornel  K1100  high  modulus  carbon  fibres  combine  large  thermal  conductivity  (~  900  ‐  1000  Wm‐1K‐1) with very low coefficient of thermal expansion (‐1.5 x 10‐6 K‐1). Copper based composites reinforced with these  fibres may yield quite unique combination of physical properties with thermal conductivity higher than that of pure copper  and coefficient of thermal expansion as low as ~ 1 x 10‐6 K‐1. However due to no wetting in the Cu‐C binary system serious  problems  with  the  composite  preparation  need  to  be  overcome  when  a  pure  Cu  matrix  is  used.  Moreover,  unidirectional  fibre  alignment  results  in  a  large  anisotropy  of  composite  properties.  Finally  due  to  lack  of  chemical  affinity  there  is  no  reaction interfacial  bonding  and  the structural  stability  of the composite is in question. Gas  pressure infiltration  technique  has  been  used  to  prepare  copper  based  composite  material  unidirectionally  reinforced  with  ~  54  vol.  %  of  Thornel  K1100  carbon fibres. As‐received composite exhibited homogeneous distribution of fibres with some pores and voids in the inter‐ fibre  locations.  Thermal  diffusivity  was  measured  in  longitudinal  and  transversal  direction  by  the  flash  method  and  the  measured  data  were  fitted  to  a  model  which  takes  into  account  the  finite  flash  duration.  The  thermal  conductivity  was  calculated  from  the  diffusivity  measurements  using  calculated  values  of  density  and  specific  heat.  Thermal  expansion  measurements were performed in 5 subsequent cycles at the heating/cooling rate of 0.05 °C/s up to the temperature of 600  °C  in  longitudinal  and  transversal  directions.  The  structural  stability  of  the  composite  was  confirmed.  Actually,  in  spite  of  weak bonding, there were no signs of any composite disintegration. The thermal diffusivity was not affected by the applied  thermal cycling.      ………………  DSL357  Mr. Hossein Davarzani  Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT)  Allée du Pr. Camille Soula, 31400 Toulouse, FRANCE   

Tortuosity Effect on Thermal Diffusion Coefficient in Porous Media  H. Davarzani, M. Marcoux, M. Quintard   Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT)   Allée du Pr. Camille Soula, 31400 Toulouse, FRANCE   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

22

Thermal diffusion or Soret effect, which is the mass flux caused by a temperature gradient applied to fluid mixture, has been  taken  into  account  in  many  porous  media  applications,  particularly  in  petroleum  engineering  and  geophysics.  In  the  literature, the effective macro‐scale diffusion coefficients are now well established [1], while uncertainty remains concerning  the relationship between the effective thermodiffusion coefficient and micro‐scale parameters (such as pore‐scale geometry)  [2]. Our previous study on theoretical model of effective thermal diffusion coefficient for a pure diffusion regime confirmed  that the tortuosity factor acts in the same way on both Fick diffusion coefficient and on thermodiffusion coefficient [3].    In  this  study,  new  experimental  results  obtained  with  a  two  bulb  apparatus  are  presented.  The  diffusion  and  thermal  diffusion  of  a  Helium‐Nitrogen  system  through  cylindrical  samples  filed  with  glass  spheres  of  different  diameter  are  measured at the atmospheric pressure. Concentrations are determined by analysing the gas mixture composition in the bulbs  with a Katharometer device. The results are in good agreement with theoretical results and emphasize the porosity of the  medium influence on both diffusion and thermal diffusion process.    [1] M. Quintard, L. Bletzaker, D. Chenu, and S. Whitaker, Chem. Eng. Sc., 61, 2643 (2006).  [2] P. Costeseque, T. Pollak, J. K. Platten, and M. Marcoux, European Phys.  J. E, Soft  matter, 15 (3), 249 (2004).                                                [3] H. Davarzani, J. Chastanet, M. Marcoux and M. Quintard, Lacture Note of the IMT8, Vol. 3, p.181, (Forschungszentrum  jülich GmbH, Bonn, Germany, 2008).      ………………  DSL195  Prof. Khairul Alam  Department of Mechanical Engineering,   Ohio University, Athens, OH 45701   USA   

Development of Thermal Models Using Accurate 3D Geometry of Carbon Foam  Khairul Alam and Mihnea Anghelescu  Department of Mechanical Engineering, Ohio University, Athens, OH 45701 USA    One  of  the  potential  applications  of  carbon  foam  is  its  use  in  thermal  management,  including  convection  heat  transfer  through its pores. However, because of the manufacturing process, the microstructure of carbon foam is quite complex, and  the study of the relationship between its microstructure and bulk properties is a difficult problem. Several authors have used  idealized  geometries  to  derive  the  thermal  properties  based  on  the  microstructure.  However,  the  analytical  models  often  produce results that are higher by a factor of two or more compared to experimental results. The objective of this study is to  use  an  accurate  three  dimensional  solid  model  of  carbon  foam  microstructure  to  calculate  bulk  thermal  properties.  A  specialized tool for the characterization of 3‐dimensional structures using automated serial sectioning and light microscopy is  used  to  produces  a  solid  model  for  analysis  by  the  finite  element  method  (FEM).  The  analysis  of  this  true  geometry  demonstrates that the idealized models tend to overestimate the thermal conductivity of the carbon foam.      ………………  DSL279  Mr. Adrian Circiumaru   Faculty of Mechanics, “Dunărea de Jos” University,   Galați, 800008, România   

Thermal conductivity of fabric reinforced filled epoxy matrix composites   G. Andrei, I.‐G. Bîrsan, A. Cîrciumaru, N. Diaconu   Faculty of Mechanics, “Dunărea de Jos” University, Galați, 800008, România    Tailoring  the  electro‐magnetic  properties  of  PMC  is  one  of  the  most  important  aims  in  composites  researches.  One  of  the  most  common  solutions  is  to  fill  the  composite’s  matrix  with  various  powders  [1].  In  this  case  the  dimensions  of  filler’s  particles are important while they determine the dimensions of interface changing not only the electro‐magnetic properties  but  also  the  mechanical  and  thermal  properties.  When  a  PMC  is  designed  the  properties  of  reinforcement,  fillers  and  polymer have to be taken into account [2]. The current research is focused in showing the influence of filled polymeric layers  over the properties of fabric reinforced composite. Both carbon fiber fabric and kevlar and carbon fiber fabric were used as 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

23

reinforcements. The symmetry of filled polymeric layers was changed in order to point out the influence of fillers over the  composite’s properties and to investigate the possibility of modifying the electro‐magnetic properties form the surface to the  mid‐plan  of  the  sample.  The  multi‐component  composites  could  represent  the  cheapest  solution  when  controllable  properties are required. In order to establish the right amount of filler it is necessary not only to analyze the electromagnetic  and mechanical properties but also the thermal properties [3, 4].   Thermal conductivity of pseudo‐laminate composites was investigated using the DSC technology. Also, thermal conductivity  of single reinforcement layer immersed in filled epoxy was evaluated for various concentrations of fillers in order to start a  data base with information regarding the relationship between the thermal conductivity of a layer and thermal conductivity  of layered material.       [1] S. M. Abbas, M. Chandra, A. Verma, R. Chatterjee, T. C. Goel, Composites : Part A, 37, 2148 (2006).  [2] J. Shen, W. Huang, L. Wu, Y. Hu, M. Ye, Composites: Part A, 38, 1331 (2007).  [3] Y. Xu, G. Ray, B. Abdel‐Magid, Composites: Part A, 37, 114 (2006).  [4] M. Mulle, R. Zitoune, F. Collombet, P. Olivier, Y.‐H. Grunevald, Composites: Part A, 38, 1414 (2007).      ………………  DSL332  Dr. M. Javad Maghrebi  Mechanical Engineering Faculty,   Shahrood University of Technogy,   Shahrood, Iran   

A High Order Time Advancement Scheme for Prediction   of Solidification Processes   A. Abbas Nejad*1, M.J. Maghrebi1 and H. Basirat Tabrizi2  1Mechanical Engineering Faculty, Shahrood University of Technogy, Shahrood, Iran  2Mechanical Engineering Faculty, Amirkabir University of Technogy, Tehran, Iran    Transient  heat  transfer  problems  involving  melting  and  solidification  have  an  important  role  in  many  engineering  applications.  In  general  terms,  there  are  two  numerical  approaches  used  in  solving  solidification  problems:  fixed  grid  and  deforming grid. Enthalpy methods have been a popular means of numerically solving phase change problems. A major reason  for this is that an enthalpy formulation removes the need to satisfy conditions on the moving boundary, which means that  fixed  grid  solution  can  be  used.  The  numerical  solution  of  enthalpy  method  is  investigated  by  several  authors.  Voller  and  Cross  [1]  used  control  volume  technique  for  this  method.  Voller  [2]  applied  implicit  enthalpy  method  for  metals  and  alloy  solidification. Crowley and Ockendon [3] and Wilson et al. [4] simulated alloy solidification using enthalpy method. Recently  Krabbenhoft et al. [5] solved phase change problems using an implicit mixed enthalpy‐temperature method. The first order  forward scheme and central space finite difference was used for time advancement and spatial derivative modeling. In this  paper we applied a third order compact Runge‐Kutta method for time advancement with second order central space finite  difference for space derivatives to increase the accuracy of numerical solution. The results are compared with analytical and  semi‐analytical solution in the literature for both pure and alloy materials.    [1]‐ Voller, V.R. and Cross, M. "Accurate solutions of moving boundary problems using the enthalpy method", int. J. Heat  Mass Transfer, Vol. 24, pp. 545‐556, 1981.  [2]‐ Voller V.R., "An implicit enthalpy solution for phase change problems: with application to a binary alloy solidification",  Appl. Math. Modelling, Vol. 11, pp. 110‐116, 1987.  [3]‐ Crowley, A.B. and Ockendon, J.R., "On the numerical solution of an alloy solidification problem", Int. J. Heat Mass  Transfer, Vol. 22, pp. 941‐947, 1979.  [4]‐ Wilson, D.G., Solomon, A.D. and Alexiades, V., "A model of binary alloy solidification", Int. J. Numer. Meth. Engin., Vol. 20,  pp. 1067‐1084., 1984.  [5]‐ Krabbenhoft K., Damkilde L. and Nazem M., "An implicit mixed enthalpy–temperature method for phase‐change  problems", Heat Mass Transfer, Vol. 43, pp. 233‐241, 2007.      ……………… 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

24

DSL115  Mr. Mohammad Reza Mobinipouya  Department of Chemistry,  Firouzabad Islamic Azad University,   Firouzabad, Iran   

Turbulent free convection utilizing seven binary gas mixtures  Mohammad Reza Mobinipouya1, and Mohammad Mehdi Papari2,  Antonio Campo3,Mohsen Azari4  1Department of Chemistry, Firouzabad Islamic Azad University, Firouzabad, Iran  email: mobinipouya @yahoo.com  2Department of Chemistry, Shiraz University of Technology, 71555‐313, Shiraz, Iran  email:[email protected], Fax: 98‐711‐735‐4523  3Department of Mechanical Engineering, University of Vermont, Burlington, Vermont, USA  4Department of Chemistry, Firouzabad Islamic Azad University, Firouzabad, Iran  Keywords: turbulent boundary layers, free convection, binary gas mixture      For  turbulent  free  convection  utilizing  binary  gas  mixtures  instead  of  air,  the  impact  that  the  four  participating  thermo‐ physical  properties  ηmix,  λmix,  Cp,mix,  and  ρmix  exerts  on  the  allied  convective  coefficient  hmix,  /B  conjoined  to  several  body  configurations  may  be  summarized  as  follows.  Among  the  seven  helium‐based  binary  gas  mixtures  at  a  low  film  temperature of 300 K linked to Eq. (1), He‐CF4 gas mixture turns out to be the better binary gas mixture. It is firmly believed  that  the  theoretical  results  of  this  technical  present  paper  may  be  useful  for  the  efficacious  design  of  cooling  processes  involving turbulent free convection. When contrasted against air or helium, the degrees of freedom that the He‐based binary  gas  mixtures  bring  forward  may  lead  to  substantial  reductions  in  the  size  and/or  weight  of  the  engineering  devices.  The  present paper investigates a promising avenue for the intensification of turbulent free convection in various configurations  using adequate binary gas mixtures in which (He) is the primary gas component and carbon dioxide (CO2), methane (CH4),  nitrogen  (N2),  oxygen  (O2),  xenon  (Xe),  tetrafluoromethane  (CF4)  and  sulfurhexafluoride  (SF6),  are  the  secondary  gas  components.  Using  micro  scales  of  turbulence,  Arpaci  and  Larsen[3]  demonstrated  that  the  convective  coefficient  h  for  turbulent free convection in gases owing Prandtl number Pr~1 responds to the proportionality 2 hm ⎛ λ3 × ρ 4 × C P = ⎜⎜ B ⎝ η2

1

⎞5 ⎟      ⎟ ⎠

 

 

 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

25

References  [1] G.D. Raithby, K.G.T. Holland’s, Chapter 6, in: W.M. Rohsenow, et al., (Eds.),  Handbook of Heat Transfer Fundamentals, McGraw‐Hill, New York, 1985.  [2] T. Misumi, K. Kitamura, JSME Int. J. 36 (1993) 143.  [3] V. Arpaci, P.S. Larsen, Convection Heat Transfer, Prentice‐Hall, Englewood Cliff,  NJ, 1984  [4] A.E. Bergles, Chapter 10, in: W.M. Rohsenow, et al., (Eds.), Handbook of Heat  Transfer, McGraw‐Hill, New York, 1973    ………………  DSL288  Mr. Zamoum Mohammed   Faculté des Sciences, Département de physique,   Université de Boumerdès, 35000,   Tunisia 

 

Energy Dissipation without Friction of Gas Bubble 

1 

M. Zamoum1 and  M. Kessal2  Faculté des Sciences, Département de physique, Université de Boumerdès, 35000.  2 Faculté des Hydrocarbures et de la Chimie, Université de Boumerdès, 35000.  E‐mail:[email protected] 

  A gas bubble in a liquid medium is modeled by the Rayleigh‐Plesset equation [1], coupled with energy conservation and heat  transfer by convection relation [2]   

  2

⎛ d 2 R ⎞ 3 ⎛ dR ⎞ g dV dU R⎜⎜ 2 ⎟⎟ + ⎜ +q+ = 0  and  q = HA(T − T∞ )   ⎟ = 0 (P − P∞ ) ,  P ρ dt dt ⎝ dx ⎠ 2 ⎝ dx ⎠   The numerical resolution of this system is performed by a fourth order Runge‐Kutta method.    The obtained results show the convection heat transfer coefficient effect on the bubble radius (Figure1 and Figure2) 

  Nomenclature  R           bubble radius.  V           volume of bubble.   A           area of bubble.  T           temperature   T∞         ambient temperature.   H           convective heat transfer coefficient  q            heat transfer rate.  U           internal thermal energy  P           pression of bubble  P∞         ambient pression   g0          newton’s constant   ρ         density.   Bibliographies   [1]   La Cavitation, Mécaniques et Physique et Aspects Industriels. Presses Universitaire de Grenoble  [2]   Introduction to unsteady thermofluid mechanics, Frederik J. Moody; A WILLY INTERSCIENCE 1990 

 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

26

1 H=100 0.8 0.6 0.4

R

0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8

0

2

4

6

8

10 t

12

14

16

18

20

Figure1. Gas bubble oscillation for case (H=100W/m2K) 

 

  1 H=0

R

0.5

0

-0.5

0

2

4

6

8

10 t

12

14

16

18

20

 

 

Figure2. Gas bubble oscillation for adiabatic case (H=0)      ………………  DSL439  Dr. Anil Kumar Shrotriya   Department of Physics  Seth Motilal (P.G.) College  JHUNJHUNU‐333001  Rajasthan, India   

Estimation of Heat Storage Coefficient of Multi‐phase Systems Using a New Developed  Resistor Model  A. K. Shrotriya  Department of Physics, Seth Motilal (P.G.) College, JHUNJHUNU‐333001  Rajasthan, India    The thermal properties of interest are the thermal conductivity λ, the thermal diffusivity α and specific heat c. Since these  three quantities are inter‐related,  (α = λ /ρc, where ρ is density). Knowledge of any two determines the third. Besides the  three thermo physical coefficients needed to describe the thermal status of a substance, the heat storage coefficient (HSC) β 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

27

is an additional useful parameter to describe its thermal behaviour. Although its value is related to the three constants β=√  λρc in many cases it behaves as an independent characteristic of the sample.  The various factors which generally affect the HSC of materials are:  • chemical composition  • physical texture  • temperature  • pressure  • heat flow  In addition to providing reliable HSC data, it is desirable to find a correlation, empirical or otherwise between the HSC and  other easily measured parameters such as porosity, formation factor, etc.  In this paper, the HSC of different type of soil materials like dry dune sand, marble stone powder, surkhi sand, dry cement,  loamy soil, lime stone powder and ash have been studied experimentally as well as theoretically for two‐phase systems. The  determination  of  HSC  of  three  phase  systems  has  also  been  done  using  liquid‐air‐solid  phase  systems  by  adding  water  content  and  tertiary  amyl  alcohol  as  a  liquid  in  two‐phase  systems.    In  this  model  porosity  and  particle  size  plays  an  important role. The plane heat source method was used for the measurement of HSC of these materials. The experimental  data and estimated values are so close and verify the success of model for these types of multi‐phase systems.  The main considerations that motivated to undertake this study are –  ™ These materials are naturally abundant and are commonly used in building construction.  ™ The knowledge of thermo‐physical properties of sand and ash has importance in agriculture.   ™ The HSC parameter has not been much investigated so far.  ™ If the HSC of these materials at low interstitial air pressure is comparable to the HSC of silica and glass wool, these  cheaper materials may possibly replace the costly and hazardous insulation in huge installation.  ™ Field solar ponds are surrounded with soil and concrete. The heat storage efficiency of power generation of these  ponds depends upon the heat losses from the pond through these materials.  ™ It is also important from energy storage point of view, to have the knowledge of HSC of these materials with  moisture content and temperature.       ………………  DSL014  Prof. Oleg Pursky  Kyiv Taras Shevchenko University,   Kyiv UA‐03022,   Pr. Glushkova 6,   Ukraine   

Thermal Expansion Effect on Heat Transfer in Orientationally‐Disordered Phases of  Molecular Crystals  O.I. Pursky1, V.A. Konstantinov2  1T. Shevchenko Kyiv National University, Department of Molecular Physics,   6, Glushkov Ave., Kyiv 03680, Ukraine  2B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Science of Ukraine, 47 Lenin  Ave., Kharkov 61103, Ukraine    In present study, an attempt has been made to find a thermal expansion effect on heat transfer processes in orientationally‐ disordered (OD) phases of  molecular crystals. Discrepancies in temperature dependences of isobaric and isochoric thermal  conductivity  are  connected  with  the  thermal  expansion  of  samples  under  investigation  in  isobaric  case.  To  estimate  the  influence of thermal expansion on the heat transfer in OD phases of molecular crystals, in the present investigation we have  undertaken to separate the phonon‐phonon and phonon‐rotation contributions to the total thermal resistance of solid SF6,  CCl4(Ib)  and  C6H6,  in  both  the  isobaric  and  isochoric  cases.  For  calculations,  we  used  the  modified  version  of  reduced  coordinates method [1]. It is important to note that, in this case, there is no need to resort to some approximation model or  other.   On  the  basis  of  our  studies  it  seems  justified  to  conclude  that  in  OD  phases  of  molecular  crystals  the  thermal  expansion  effect tends to increase in phonon‐phonon component and general decrease in phonon‐rotational components of the total  thermal resistance.   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

28

[1] O.I. Pursky, N.N. Zholonko, and V.A. Konstantinov, Low Temp. Phys. 29, 771 (2003).      ………………  DSL046  Mr. Afshin Farahbakhsh  Islamic Azad University,   Quchan Branch,   Iran   

Connection of Single‐Wall Carbon Nanotube to Au Layer as   a Matrix for Biosensors  A. Farahbakhsh1,a, H. A. Zamani2,b, S. K. Rahimi1, A. Niazmand1,c  1Department of Chemical Engineering, Quchan branch, Islamic Azad University, Quchan, Iran  2Department of Applied Chemistry, Quchan branch, Islamic Azad University, Quchan, Iran  [email protected], b [email protected], c [email protected]     Keywords: single‐walled carbon nanotubes, glucose, glucose oxidize, biosensor      In this work, the connection of the single‐wall carbon nanotube (SWCN) to Au layer by chemical vapor deposition (CVD) was  investigated. The best arrangement of SWCN on Au layer was obtained the shoulder structure. In this arrangement, the iron  nanoparticle was used as a base for the growing of Au/SWCN. The properties of the created Au/SWCN were characterized by  the scanning electron  microscopy (SEM) technique.  The constructed Au/SWCN  has 2‐4 nm  diameter and 10‐15 µm length.  This system can be use as a suitable matrix for the fabrication of a variety of biosensors.        ………………  DSL201  Mr. M. Pirmohammadi  Research Management of R &D Deputy,   Mapna Group, Tehran,   Iran   

Effect of Variable Thermal Conductivity on Magneto‐Convection inside a  Partitioned Enclosure  M.Pirmohammadi1, M. Ghassemi2  1Research Management of R &D Deputy, Mapna Group, Tehran, Iran  2 Mechanical Engineering Department, KNToosi University of Technology, Tehran, Iran    It is well known that natural convection heat transfer can be damped with the help of a magnetic field. Employment of an  external  magnetic  field  has  increasing  applications  in  material  manufacturing  industry  as  a  control  mechanism  since  the  Lorentz  force  suppresses  the  convection  currents  by  reducing  the  velocities.  Study  and  thorough  understanding  of  the  momentum and heat transfer in such a process is important for the better control and quality of the manufactured products  [1‐3]. Magneto‐convection in a differentially heated enclosure with two rectangular adiabatic ribs, symmetrically located on  horizontal walls (adiabatic walls), is carried out.Thermal conductivity of fluid is temperature dependent. The governing non‐ linear equations are solved in a two‐dimensional domain using a control volume method and the SIMPLER algorithm for the  velocity–pressure coupling is employed. The results will be are presented in form of streamlines, isotherms as well as Nusselt  number for various Rayleigh number (Ra) and Hartmann number (Ha). The heat transfer across the cavity from hot wall to  cold wall becomes poor for a decrease in k and also Suppression of conduction near hot wall is more than that of convection.  Furthermore the as Ha increases the convection heat transfer suppresses and Nusselt number decrease.      [1] I. E. Sarris a; G. K. Zikos A. P. Grecos a; N. S. Vlachos, Numerical heat transfer,  Part B, 50, 158‐180 (2006)  [2] M. Ghassemi, M. Pirmohammadi, GH. A. Sheikhzadeh, 24th Annual Review of 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

29

Progress in Applied Computational Electromagnetics, (2008).  [3] M. Pirmohammadi, M. Ghassemi, and GH. A. Sheikhzadeh, IEEE Transactions on  magnetics, 45(No.1), 407‐411 (2009).  Progress in Applied Computational Electromagnetics, (2008).  [3] M. Pirmohammadi, M. Ghassemi, and GH. A. Sheikhzadeh, IEEE Transactions on  magnetics, 45(No.1), 407‐411 (2009).      ………………  DSL201  Mr. M. Pirmohammadi   

Numerical Simulation of Natural Convection in a Mold  M.Pirmohammadi1, G.A.Sheikhzadeh2, M.Hamedi3  1Research Management of R &D Deputy, Mapna Group, Tehran, Iran  2 Mechanical Engineering Department, University of Kashan, Kashan, Iran  3 Mechanical Engineering Department, University of Tehran, Tehran, Iran    Natural  convection  heat  transfer  in  differentially  heated,  partitioned  cavities  are  encountered  in  various  industrial  applications, such as solidification in casting and crystal growth, heating and ventilating of living spaces, fire in buildings, and  solar thermal collector systems. In many applications, for some reasons, attaching rib(s) or baffle(s) to the vertical wall or to  the horizontal wall(s) partitions the cavity. Recently studies of heat transfer and fluid flow characteristics of partitioned cavity  have come under scrutiny both numerically and experimentally [1‐3].   Numerical  study  of  natural  convection  heat  transfer  inside  a  differentially  heated  square  cavity  with  adiabatic  horizontal  walls  and  vertical  isothermal  walls  is  investigated.  Two  insulated  ribs  are  symmetrically  located  on  horizontal  walls.  The  governing  nonlinear  equations  are  solved  in  a  two‐dimensional  domain  using  a  control  volume  method  and  the  SIMPLER  algorithm for the velocity–pressure coupling is employed. The results will be are presented in form of streamlines, isotherms  as  well  as  Nusselt  number  for  Rayleigh  number  ranging  from  104  up  to  105.  Special  emphasis  is  given  in  the  systematic  analysis to detail the effects of the length of the ribs on the flow structure and isotherm pattern. It is found that the mean  Nusselt number is affected by the length of the ribs and Rayleigh number.    [1] A. N. Khalifa, Energy conversion and management, 42,491‐504 (2001)  [2] M. Ghassemi, M. Pirmohammadi, GH. A. Sheikhzadeh, WSEAS TRANSACTIONS  ON FLUID MECHANICS, 2, 61‐68 (2007)  [3] M. Pirmohammadi, M. Ghassemi, GH. A. Sheikhzadeh, ASME 2008 Summer Heat  Transfer, August 10‐14 (2008), Jacksonville. FL. USA      ………………  DSL217  Dr. I. I. Hadzhidimov  Technical University,  Varna, Bulgaria   

Heat Turbomachines around‐Disk Spaces Mass and Heat   Transfer Modeling   R.D. Yosifov1, N.A. Lazarovski1, D.G.  Rusev1, I.I. Hadzhidimov1, D.P. Chakyrova1       1Technical University, Varna, Bulgaria    Heat  turbomachines thermo‐aerodynamic processes analysis is  important  for  their  design  and exploitation  connected with  reliable and failureless operation in a wide power range. The kinematic and thermodynamic parameters distribution of the  work fluid around heavy loaded turbine disks and labyrinth seals causes considerable influence upon the heat exchange and  energy convertion processes. This influence appears in several basic directions. The subject of the present paper is mass and  heat transfer process analysis, connected with work fluid motion in typical complex clearances between rotor and stator of  different steam turbines types. Mass transfer by flow kinematic parameters, consumption performances and resistances in  the axial and radial clearances is determined. These parameters are aroud disks, diaphragms, internal and external labyrinth 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

30

seals, drums, equilibrium piston (dummis), etc. for different turbine construction elements. By means of pumping, ejecting,  reactive  complex  effects  with  variable  boundary  conditions  the  mass  balance  has  been  realized.  This  balance  results  on  equilibrium pressures of streamlined turbine part. These pressures are individual for every exploitation regime in accordance  with  the  necessary  power  connected  with  mass  consumption,  steam  distribution,  seals  wearing  out  degree,  etc.  The  pressures  differences  before  and  after  the  turbine  disks  and  other  unequilibrium  rotor  surfaces  permit  determining  the  inconstant axial bearing loadings. The bearing works under high hydraulic pressures in lubricate layer controlled by turbine  protection  and  regulation  system.  Thermal  turbine  rotor  load  and  expanding  depending  on  temperature  and  velocity  distribution of above mentioned clearances are calculated. This results on the convective heat transfer from the work fluid to  the  rotor  elements  and  conductive  transfer  through  the  rotor  (disks‐seals‐bearing  modulus).  The  nonuniform  temperature  field is a significant factor acting by thermal expansions on axial loaded rotor system. Prognosis of thermal tension turbine  rotors  statement  is  a  worldwide  applied  practice.  Based  on  our  regional  conditions  by  means  of  axial  forces  and  thermal  expansions distribution determination it is possible to estimate the turbo‐aggregates performance reliability during design or  reconstruction as well as the exploitation time within the total power range.      ………………  DSL235  Mr. Valerio Tomarchio  Alma Mater Studiorum,Università di Bologna,  Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del  Controllo Ambientale (DIENCA),Laboratorio di Montecuccolino,  Via dei Colli 16. 40136 Bologna.  Italy   

MHD Mixed Convection in a Vertical Circular Duct with a Periodic   Wall Temperature  V. Tomarchio1, A. Barletta1  1Alma Mater Studiorum ‐‐ Università di Bologna, Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del  Controllo Ambientale (DIENCA), Laboratorio di Montecuccolino, Via dei Colli 16. 40136 Bologna,  ITALY    In the last years, a growing interest has been addressed to the study of magnethydrodynamic effects on mixed and natural  convective  flows.  Such  interest  in  the  topic  is  due  to  the  large  number  of  possible  technological  applications,  like  in  metallurgy, where the quality of the materials, produced in a regime of controlled crystal growth, can be influenced by the  effects of an external imposed magnetic field. Recently, being increased the efforts towards the realization of nuclear fusion  machines;  MHD  effects in  liquid  metal flows are studied to  design  properly  critical  components (blankets) of  experimental  reactors.  This paper describes the effects of a uniform horizontal magnetic field on the mixed convective flow of a conductive fluid in a  vertical circular duct. The study hereby presented assumes a steady periodic regime induced by the wall temperature of the  duct, which is uniform and varying sinusoidally with time. The local balance equations of momentum and energy, together  with the conservation of electric charge, will be solved numerically. The temperature, velocity and electric potential fields will  be decomposed in a steady and an oscillating component evaluated separately. The duct walls will be assumed as perfectly  insulating.  This  paper  continues  the  experience  previously  gathered  in  the  analysis  of  mixed  convection  in  steady‐periodic  regime with and without MHD effects [1, 2].    [1] A. Barletta, E. Zanchini, Time‐periodic laminar mixed convection in an inclined  channel, Int. J. Heat and Mass Transfer, 46, pp. 551‐563, 2003.  [2] V. Tomarchio, A. Barletta: Effetti MHD sulla convezione mista entro un canale  rettangolare in regime periodico stabilizzato, Atti del XXVI Congresso Nazionale UIT,  335‐‐340 (Palermo, 2008).      ………………  DSL240  Dr. Ghanbarali Sheikhzadeh  

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

31

Mechanical Engineering Department,   University of Kashan, Kashan,   Iran   

Effect of a Shield on Mixed Convection in a Rectangular Enclosure with Moving Cold  Side Walls and a Heat Source on the Bottom Wall  GH.A.Sheikhzadeh1, S.H.Moosavi1, N.Sadooghi1  1 Department of Mechanical Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran     The electronic components are treated as heat sources embedded in flat surfaces [1]. A number of numerical studies have  been  carried  out  to  investigate  the  mixed  convective  cooling  of  heat  dissipating  electronic  components,  located  in  a  rectangular enclosure and cooled by an external flow of air [2–4].  In  this  work,  the  mixed  convention  of  air  inside  a  rectangular  cavity  is  studied  numerically.  The  cavity  has  cold  sidewalls  moving at a constant speed. A constant flux heat source is attached to the bottom wall of the cavity. A thin thermal shield is  located at a specific distance above the heat source. The top and the remaining parts of the bottom walls are adiabatic. The  governing  equations  are  solved  using  appropriate  numerical  methods.  To  solve  for  the  velocity  and  pressure  field  the  SIMPLER algorithm has been employed. The resulting set of algebraic equations has been solved using a line by line iteration  and TDMA scheme. The results are presented in the form of streamline and isotherm contours.  The Richardson number has  been chosen as a criterion to monitor the effects of sidewalls velocities on the flow field and heat transfer inside the cavity. A  parametric  study  has  been  conducted  and  the  effects  of  heat  source  length,  its  location  and  the  shield  distance  from  the  source on the heat transfer have been investigated. The results show that the heat dissipation increases as the heat source  and  the  shield  are  moved  up  to  a  certain  distance  towards  either  side  wall.  However,  moving  them  beyond  this  limiting  distance results in the reduction  of  heat dissipation. It is shown that the presence of shield results in the reduction of the  heat  transfer  coefficient.  However,  for  the  normalized  distance  of  the  shield  from  the  heat  source  greater  than  0.45,  the  shield’s effect on the reduction of the heat transfer coefficient is less than 10%.    Keywords: Numerical Study, Rectangular Cavity, Heat Source, Mixed Convection, Shield    [1] F.P. Incropera, J. Heat Transfer, 110, 1097, (1988).  [2] E. Panpanicolaou, Y. Jaluria, Numer.Heat Transfer, Part A 23, 463, (1993).  [3] E. Panpanicolaou, Y. Jaluria, J. Heat Transfer, 116, 960, (1994).  [4] G. Guo, M.A.R. Sharif, International Journal of Thermal Sciences, 43, 465, (2004).      ………………  DSL267  Prof. Gilmar Guimarães  Federal University of Uberlândia, FEMEC‐UFU,   Uberlândia, MG, Brazil   

Analysis of the Effect of Cutting Parameters on the Cutting Edge Temperatures  Using Inverse Heat Conduction Technique  M. R. Santos1, S. M. M Lima e Silva2, Guimarães, G.1, S.R. Carvalho1  1Federal University of Uberlândia, FEMEC‐UFU, Uberlândia, MG, Brazil  2Federal University of Itajubá, IEM‐UNIFEI, Itajubá, MG, Brazil    During  the  machining  process,  a  considerable  amount  of  the  machining  energy  is  transformed  into  heat  due  to  plastic  deformation  of  the  workpiece  surface,  the  friction  of  the  chip  on  the  tool  face  and  the  friction  between  the  tool  and  the  workpiece.  High  temperatures  are  generated  in  the  region  of  the  tool  cutting  edge,  and  these  temperatures  have  a  very  important influence on the rate of wear of the cutting tool and on the friction between the chip and the tool and mainly on  the  tool  life.  The  experiments  of  Tosun  and  Ozler  [1]  shown  that  the  tool  life  increases  significantly  when  the  manganese  steel specimens are heated during machining. They concluded that 400 0C is the optimum heating temperature considering  the microstructure of the workpiece studied. That work demonstrates the great importance of the temperature distribution  at the interface in various machining conditions. This paper makes an experimental and numerical investigation of different  factors which influence the temperature distribution at the high speed steel (AISI M32 C) tool rake face during machining of a  (ABNT  12L14)  steel  workpiece.  The  temperature  distribution  was  predicted  using  finite  volume  elements  with  an  inverse 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

32

problem  procedure.  The  inverse  technique  uses  numerical  and  experimental  results  for  both  heat  flux  and  temperature  estimation. Temperatures were measured by thermocouples at positions distant from the region of interest. Heat fluxes at  the tool – workpiece interface are estimated using these remotely measured temperatures. Experiments were performed to  study the effect of cutting parameters on the cutting edge temperature.    [1] N. Tosun and L. Ozler, Journal of Materials Processing Technology, 124, 99 (2002)      ……………… 

DSL280  Mr. Arash Jafari   Universiti Teknologi Malaysia, 81310 UTM Skudai,   Johor, Malaysia   

Optimization of a CircularMicrochannel Heat Sink Using Entropy Generation  Minimization Method  A. Jafari1, Associated Prof. Dr. N. Mohd‐Ghazali2  1Universiti Teknologi Malaysia, 81310 UTM Skudai, Johor, Malaysia    New  advances  in  micro  and  nano  scales  are  being  realized  and  the  contributions  of  micro  and  nano  heat  dissipation  devices  are  of  high  importance  in  this  novel  technology  development.  Past  studies  showed  that  microchannel  design  depends  on  its  thermal  resistance  and  pressure  drop.  However,  entropy  generation  minimization  (EGM)  as  a  new  optimization  theory  stated  that  the  rate  of  entropy  generation  should  be  also  optimized. Application of EGM in microchannel heat sink design is reviewed and discussed. Using EGM, majority  of the published investigations are conducted based on rectangular cross section microchannel. Latest principles  for deriving the entropy generation correlations are discussed to present how this approach can be achieved. The  present study involves an optimization procedure using EGM method and derives the entropy generation rate in  ncircular microchannel heat sink based upon thermal resistance and pressure drop simultaneously. The equations  are  solved  using  MATLAB  and  the  obtained  results  are  compared  to  the  past  studies.  The  effect  of  channel  diameter  and  number  of  channels  on  the  entropy  generation  rate,  Reynolds  number,  thermal  resistance  and  pressure drop is investigated. Analytical correlations are utilized for heat transfer and friction coefficients.    [1] A. Bejan, Journal of Applied Physics. Vol.79, pp 1191‐1218 (1996).  [2] C. Y. Yang, and T. Y. Lin, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 32, pp 432–439 (2007).  [3] J. Li, and G. P. Peterson, IEEE Transactions, Vol.29, Issue 1, pp145 – 154 (2006).  [4] P. S. Lee, and S. V. Garimella, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 49, pp 3060–3067 (2006).  [5] W. A. Khan, M. M. Yovanovich, and J. R. Culham, Semiconductor Thermal Measurement and Management  Symposium, pp 78‐86 (2006).  [6] A. Bejan, Convection Heat Transfer, third edition, pp. 1–119, (Wiley, New York, 2004)      ………………  DSL300  Prof. Assunta Andreozzi  DETEC, Università degli Studi Federico II,   Piazzale Tecchio 80, 80125 Napoli, Italy   

Analytical Solution for Quasi‐Steady State Two‐Dimensional Temperature Distribution  in a Finite Depth Solid with a Moving Heat Source  A. Andreozzi1, B. Buonomo2, O. Manca2   1DETEC, Università degli Studi Federico II, Piazzale Tecchio 80, 80125 Napoli, Italy  2DIAM, Seconda Università degli Studi di Napoli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

33

Moving  heat  sources  are  frequently  used  in  many  manufacturing  processes,  including  welding,  cutting,  heat  treatment  of  metal  and  of  electronic  components.  This  is  due  to  their  ability  to  concentrate  high  powers  over  small  localized  areas.  In  particular, many studies have been carried out to predict temperature fields in such processes.  Even if numerical methods are powerful tools to solve the thermal models describing the processing solid, especially when  dealing with complex geometries, non‐linear boundary conditions and temperature dependent thermal properties, analytical  approaches  are  still  very  useful.  This  is  due  to  the  need  to  provide  (a)  good  insight  into  the  significance  of  parameters  affecting the process  and  (b)  analytical solutions  for validation  of  numerical  codes. In  order  to  predict the  behavior  of the  material after the manufacturing process and to simplify the physical model, it is important to evaluate the most affecting  parameters involved in the particular process in such a way as to optimize the material processing. The Peclet number, which  compares  the  thermal  diffusion  term  in  the  direction  of  the  motion  to  the  convective  component,  is  the  main  nondimensional parameter governing the heat transfer mechanism in the system.   In this paper an analytical solution of a two‐dimensional quasi‐steady‐state thermal conductive model in a solid with finite  depth and infinite length under a moving heat source is evaluated. The spot is indefinite along the direction normal to the  motion  and  the  distribution  along  the  moving  direction  is  a  linear  combination  of  a  gaussian  and  donut  function.  The  evaluation  of  the  solution  is  obtained  by  means  of  the  Green  function  method.  Results  for  each  Peclet  number  are  given.  Temperature profiles along the moving direction and the depth and temperature fields are presented.      ………………  DSL343  Mr. WILLY BASTIN   Department of Mechanical Engineering,   National Institute of Technology, Calicut   

Convective Heat Transfer Studies of a Cylindrical Heater   using Digital Interferometry  Willy Bastin1 * and V. Sajith1  1Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Calicut  *e‐mail:[email protected]    The  free  convection  studies  from  cylindrical  surfaces  such  as  thin  wires,  tubes  to  the  surrounding  medium  has  got  tremendous application in engineering field as corresponding heat transfer coefficients are essentially required for the design  of heat transfer equipments. Steady state as well as the transient heat transfer studies essentially requires the temperature  distribution in the medium surrounding the heat dissipating surface. The traditional method of temperature measurement is  using the thermocouple probe, and for obtaining the temperature distribution in the medium either a number of probes or a  moving  probe  technique  is  required.    Both  of  these  methods  disturb  the  flow  field  and  bring  errors  in  the  measurement.  Hence a measurement technique which does not affect the flow field is always preferable in such situations. Optical methods  can  be  effectively  used,  due  to  their  non‐intrusive  nature,  good  sensitivity  and  measurement  accuracy.  Measurement  methods such as  interferometry are  extremely  useful  tools for visualizing  the  real‐time temperature distributions over the  whole field through instantaneous photographs as well as in following transient phenomena through continuous recording of  visualization  patterns.  The  present  investigation  is  aimed  at  developing  an  interferometric  method  for  convective  heat  transfer measurement in air surrounding a cylindrical heater surface. The test specimen used here is a cylindrical heater of 2  cm  diameter  and    3  cm  length.  Heater  coil  is  kept  inside  a  steel  tube  and  is  supplied  with  stabilized  AC  through  an  autotransformer for controlling the heat output. A Mach‐Zehnder interferometric arrangement has been used in this work,  to  obtain  the  temperature  distributions  in  air  surrounding  the  heater  surface.  Interferometric  methods  utilize  the  interference  of  two  coherent  light  beams  for  measurement  of  temperature  distributions  and  heat  transfer  in  an  analysis  domain,  and  depend  on  the  additional  phase  lag  introduced  when  these  light  beams  pass  through  regions  of  different  densities and refractive indices caused by the temperature field. The fringe patterns are grabbed using an AVT Marlin CCD  camera,  and  the  AVT  Fire  package  software.  The  MZI  set  up  has  been  validated  using  a  vertical  heater  plate  and  the  experimental results are compared with the theoretical results. The optical components are arranged in such a way to obtain  parallel wedge fringes initially. Digital image processing technique has been used for analyzing the fringe patterns.  The moiré  fringes, ie isotherms around the cylindrical heater plate are obtained by the digital subtraction of the initial parallel fringes  from the deformed fringes, which contains the information of the temperature distribution. The temperature corresponding  to  the  isotherms  are  obtained  by  interferometric  relations,  knowing  the  reference  temperature,  measured  using  T  type  thermocouple.  The  temperature  gradient,  local  heat  transfer  coefficient  as  well  as  heat  flux  at  various  location  along  the  circumference of the cylindrical heater are obtained from the temperature distribution in the radial direction. The variation 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

34

of the heat transfer coefficient along the circumference of the cylindrical heater surface at various angles has been plotted.  Digital interferometry has been effectively utilized to study the steady state as well as transient heat transfer characteristics  around the cylindrical heater.    REFERENCES    [1]  J.V  Herraez,  R  Belda,  A  study  of  free  convection  in  air  around  horizontal  cylinders  of  different  diameters  based  on  holographic  interferometry.  Temperature  field  equations  and  heat  transfer  coefficients.  International  journal  ofthermal  sciences(2002)A pp 261‐267  [2]  T.  Yousefi  ,  M.  Ashjaee  ,  Experimental  study  of  natural  convection  heat  transfer  from  vertical  array  of  isothermal  horizontal  elliptic  cylinders,  Experimental  Thermal  and  Fluid  Science  32  (2007)  pp:614‐623  [3] R. Ghazy, B. El‐Baradie, A. El‐Shaer, F. El‐Mekawey, Measurements of the refractive indices and refractive index increment  of a synthetic PMMA solutions at 488 nm. Optics & Laser Technology, 31 (1999)  [4]  Zhi‐Cheng  Jian,  Cheng‐Chih  Hsu,  Der‐Chin  SuI,),  Improved  technique  for  measuring  refractive  index  and  thickness  of  a  transparent plate. Optics Communications, 226 (2003), pp:35‐140  [5]  Naylor,D.,2003,Recent  developments  in  the  measurement  of  convective  heat  transfer  rates  by  laser  interferometry,  Int.J.of Heat and Fluid Flow, 24, pp:.345‐355  [6]  M.Ashjaee,  A.H.Eshtiaghi,  M.Yaghoubi  and  T.Yousefi,  Experimental  investigation  on  free  convection  from  a  horizontal  cylinder beneath an adiabatic ceiling, Experimental Thermal and Fluid Science, 32 (2007), pp:614‐623      ………………  DSL369  Dr. Elena Campagnoli   Politecnico di Torino,   Dipartimento di Energetica,   C.so Duca degli Abruzzi 24,   10129 Torino   

Thermal diffusivity of traditional and innovative sheet steels  E. Campagnoli1, P. Matteis2, G. Scavino2  1Politecnico di Torino, Dipartimento di Energetica, C.so Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino  1Politecnico di Torino, Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica, C.so Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino    During  the  last  years,  in  the  automotive  field  the  low  carbon  steels,  used  for  the  production  of  the  car  bodies  by  deep  drawing, are gradually substituted by more advanced high strength steels in order to reduce vehicle weight. Independent of  the used steel, the drawn car body components are joined together through a welding process and it is well known that the  welded points undergo a reduction of the local tensile strength value.   In developing an accurate welding process model, able to indicate which are the optimized process parameters and able to  predict the final local microstructure, a significant improvement can be given by the knowledge of the welded steels thermal  diffusivity at different temperatures.  The laser‐flash method has been used in order to measure the thermal diffusivity of two traditional deep drawing steels, two  high  strength  steels  already  in  common  usage,  i.e.  a  Dual  Phase  (DP)  steel  and  a  TRansformation  Induced  Plasticity  (TRIP)  steel, and one experimental high‐Mn austenitic TWIP (Twinning Induced Plasticity) steel.  The results show that the low carbon steels, at low temperatures, have a thermal diffusivity that is 4‐5 times larger then the  TWIP steel. Their thermal diffusivity decreases by increasing temperature while the TWIP steel shows an opposite behaviour,  albeit with a lesser slope, so that above 700 °C the TWIP thermal diffusivity results to be larger. The different behaviour of  the TWIP steel in respect to the traditional ferritic deep drawing steels arises from its austenitic structure. Moreover, the DP  and TRIP steels show intermediate values, their diffusivity being lower than that of the traditional deep drawing steels; this  latter fact probably arises from their higher alloy content and more complex microstructure.      ………………  DSL396  Mr. T. Anitha Mani  Department of Chemical Engineering,   Anna University, Chennai,   Tamil Nadu, India 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

35

 

EFFECTIVE HEAT TRANSFER IN CRUDE OIL REFINERY HEAT EXCHANGER   BY RETRO FIT DESIGN  T.Anitha Mani1, N.Gayathri1, N.Janani1  Under the Guidance of Dr.N.Nagendra Gandhi1  1Department of Chemical Engineering, Anna University, Chennai, Tamil Nadu, India    Fouling  refers  to  the  accumulation  of  undesirable  products  on  the  surface  of  heat  exchanger  offering  resistance  to  heat  transfer.  Reduced  heat  recovery  and  increased  pressure  drop  are  the  two  major  aspects  of  fouling  on  a  preheat  train  operation. The development of thermal and pressure drop models for crude oil fouling has enabled to perform analysis and  to compare various design options. The use of fouling factors in heat exchanger design and lack of appreciation of fouling in  traditional  pinch  approach  has  resulted  in  badly  designed  crude  preheat  networks  that  are  expensive  to  maintain.  Fouling  model is applied at two levels 1. Assessment of adding extra area to individual exchanger 2. Design of a complete network  using modified temperature field plot. Application to a refinery case study showed that both at the exchanger and network  levels designing for maximum heat recovery using traditional pinch approach results in least efficient heat recovery over a  time  period  when  fouling  occurs.    REFERENCES:  [1] Atkins, G.T., 1962, What to do about high coking rates, Petro/Chem Engineer, Vol. 34, pp 20‐25.  [2] Kern, D.Q., 1988, Process Heat Transfer, McGraw‐Hill,NKnudsen, J.G., Lin, D. and Ebert, W.A., 1997, The determination of  the threshold fouling curve for a crude oil, in:  [3] Wilson, D.I. and Polley, G.T. (2001) “Mitigation of refinery preheat train fouling by nested optimisation”, Advances in  Refinery Fouling Mitigation Session #46, AIChE, Houston, pp 287‐294.      ………………  DSL415  Mrs. Y. Allouche  UTTPI, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir,   Route de Ouardanine, 5000, Monastir,  Tunisia   

A CFD Simulation of Thermal Performance of a Flat Plate   Solar Energy Collector  Case study for Tunis, Tunisia  Y.Allouche1*, H. Mhiri1, G. Le Palec2, P. Bournot2  1 UTTPI, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir, Route de Ouardanine, 5000, Monastir, Tunisia  2 IUSTI, UMR CNRS 6595, 5 rue Enrico Fermi, Technopole de Chateau‐Gombert, 13013 Marseille   Cedex 20, France.   *[email protected]     A  flat  plate  solar  energy  collector  with  water  flow  is  simulated  and  analyzed  using  the  computational  fluid  dynamic  (CFD)  software fluent V.6.2.  As a first step, only the flat plate solar collector was treated without its storage tank: the CFD modeling  of solar irradiation,  the convection and radiation heat transfer mechanisms between the tube surface, glass cover and side walls were studied for  two types of absorber surfaces: black body surface and selective one. For each type of absorber surface, the hourly variation  of temperature rise fluid and absorber temperature during two typical summer and winter days was simulated for the model  located  in  Tunis  City  (Tunisia).  The  weather  conditions  (instantaneous  thermal  heat  flux  and  temperature)  were  taken  in  account  in  our  study.  The  results  show  that  the  selective  surface  is  more  promising  than  black  body  one:  a  higher  temperature of water outlet is observed in case of selective surface. As a second step the storage tank had been added to the  flat plate solar collector which is equipped with a selective absorber surface, the thermal performance of a solar water heater  without internal exchanger using a thermo siphon system is modeled.        ………………  DSL447 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

36

Dr. Pablo Muñoz  UDESC ‐ Santa Catarina State University,  Joinville, SC, Brazil   

Optimization of a Unit Periodic Cell in Lattice Block Materials Designed for Thermo‐ mechanical Applications   T.A. Carniel1, P.A. Muñoz‐Rojas1, E.C.N. Silva2 , A. Öchsner3  1UDESC ‐ Santa Catarina State University, Joinville, SC, Brazil  2USP – University of São Paulo, São Paulo, SP, Brazil  2University of Malaysia    Lattice block materials are cellular materials made up of truss‐like periodic cells. They are characterized by their low weight,  high stiffness and good heat dissipation properties. As opposed to other porous materials such as metal foams, lattice block  materials have the attractive characteristic of regularity in their properties, since the pores follow a periodic pattern. These  aspects, among others, have motivated intense research about the macroscopic behavior and applications of these materials.  In  this  work,  a  layout  optimization  procedure  is  presented  for  designing  the  unit  cell  of  a  periodic  lattice  block  material  intended  for thermo‐mechanical applications. Firstly, the formulation for calculating homogenized mechanical and thermal  properties of 2D and 3D cells made of truss‐like elements is presented and validated. Next, a layout optimization problem is  set which aims to maximize mechanical, thermal and thermo‐mechanical response of homogenized properties of truss‐like  cells,  in  which  both  nodal  coordinates  and  cross  sectional  areas  are  taken  as  design  variables.  The  analytical  sensitivity  expressions are developed and given in detail, and the optimization is carried out using sequential linear programming (SLP).  Results obtained considering 2D and 3D cases are presented to illustrate the methodology.      ………………  DSL514  Mr. Roger Kempers   Department of Mechanical & Manufacturing Engineering,   Trinity College Dublin,  Dublin 2, Ireland   

Characterization of Thermal Contact Resistance in Metal   Micro‐Textured Thermal  Interface Materials using Electrical Contact Resistance Measurements  R. Kempers1,2*, A. Lyons2,3 & A.J. Robinson1  1Department of Mechanical & Manufacturing Engineering, Trinity College Dublin,  Dublin 2, Ireland  2Alcatel‐Lucent, Bell Laboratories Ireland, Blanchardstown, Dublin 15, Ireland  3Current Address: City University of New York, College of Staten Island, New York,  USA  *Corresponding Author Email: kempers@alcatel‐lucent.com    Typical thermal interface materials (TIMs) consist of high thermal conductivity solid particles dispersed in a continuous, low‐ thermal conductivity organic compound. Despite using filler materials of very high thermal conductivity, the effective thermal  conductivity of these TIMs is often two orders of magnitude lower than the pure filler materials. In addition, dispensing and  flow of the particle‐matrix composite results in voids being trapped within the bond. To address these issues, a novel metal  micro  textured  thermal  interface  material  (MMT‐TIM)  has  been  developed.  This  material  consists  of  a  thin  metal  foil  with  raised  micro‐scale  features  that  plastically  deform  under  an  applied  pressure  thereby  creating  a  continuous,  thermally  conductive,  path  between  the  mating  surfaces.  Numerical  tools  have  been  developed  that  couple  the  mechanical  and  thermal  properties  and  behaviour  of  MMT‐TIMs  as  they  undergo  large‐plastic  deformation  during  assembly,  however  the  thermal  contact  resistance  remains  an  empirically  fit  parameter.  Initial  results  have  demonstrated  a  strong  correlation  between  pressure  and  effective  thermal  conductivity  exists  for  these  TIMs  indicating  the  contact  thermal  resistances  contribute significantly to the measured thermal resistance and effective thermal conductivity of the MMT‐TIMs [1]. From an  experimental standpoint, it is difficult to distinguish between the thermal contact resistance and bulk thermal resistance of  the MMT‐TIM. Typically, for conventional TIMs, the contact resistance can be obtained experimentally by measuring several  thicknesses of TIM, plotting the thermal resistance as a function of thickness and extrapolating contact resistance as the y‐

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

37

intercept  where  the  thickness  is  zero  [2].  For  MMT‐TIMs  however,  this  method  cannot  be  used  due  to  the  non‐uniform  behaviour of the bulk TIM. The thermal contact resistance and electrical contact resistance are qualitatively similar as both of  these  phenomena  depend  on  the  ratio  of  actual,  intimate  contact  area  to  the  apparent  contact  area.  However,  from  an  electrical standpoint, the resistance of the mating surfaces and bulk MMT‐TIM are extremely small compared to the contact  resistance at their interface.      ………………  VIP‐DSL068  Prof. Dr. Sergio Nardini  Seconda Universita' degli Studi di Napoli,  Italy    

Effect of Solid Thickness on Transient Heat Conduction in Work   pieces Irradiated by a Moving Heat Source  N. Bianco1, O. Manca2, S. Nardini2 and S. Tamburrino2  1DETEC, Università degli Studi Federico II, Piazzale Tecchio 80, 80125 Napoli, Italy  2DIAM, Seconda Università degli Studi di Napoli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy    Moving  and  stationary  heat  sources  are  frequently  employed  in  many  manufacturing  processes  and  contact  surfaces.  In  recent  years  applications  of  localized  heat  sources  have  been  related  to  the  development  of  laser  and  electron  beams  in  material processing, such as welding, cutting, heat treatment of metals and manufacturing of electronic components.   Analytical and numerical models for the prediction of the thermal fields induced by the stationary or moving heat sources in  absorbing  or  non‐absorbing  solids  are  useful  tools  for  studying  the  afore  mentioned  problems.  The  analysis  of  thermal  conductive  distributions  is  important  in  order  to  broaden  their  field  of  application  and  to  improve  their  control.  Typical  parameters  involved  in  the  processes  for  any  particular  application  should  be evaluated, in  order  to  optimize  the  material  processing and forecast the behavior of the solid.  In this paper a three dimensional conductive field are analyzed and solved by means of the COMSOL Multiphysics code. The  investigated  work‐pieces  are  made  up  of  a  simple  brick‐type  solid.  A  laser  source  with  combined  donut‐Gaussian  distributions  is  considered  moving  with  a  constant  velocity  along  motion  direction.  The  solid  dimension  along  the  motion  direction  is  assumed  to  be  infinite  or  semi‐infinite,  while  finite  width  (2ly)  and  thickness  (s)  are  considered.  Thermal  properties are considered temperature dependent and the materials are considered isotropic. Surface heat losses toward the  ambient are take into account.  Results  in  terms  of  temperature  profiles  and  thermal  fields  are  given  for  some  Peclet  and  Biot  number  values  in  order  to  evaluate the effect of solid thickness.       ………………  DSL036  Prof. Alexei Essiptchouk  Technological Institute of Aeronautics, Department of Physics  Plasma and Processes Laboratory 12228‐900,  ITA – CTA, São José dos Campos, SP,  Brazil   

Empirical Expression for Estimation of Thermal Characteristics of Material   Used for Thermal Protection   A M Essiptchouk1,2, L I Charakhovski1,2, W. Silva1, G P Filho1, H S Maciel1  1Technological Institute of Aeronautics, Department of Physics – Plasma and Processes Laboratory 12228‐900, ITA – CTA, São  José dos Campos, SP, Brazil  2Luikov Heat‐ and Mass Transfer Institute (HMTI), National Academy of Sciences of Belarus, 220072, Minsk, Rep. Belarus    Successful  utilization  of  material  in  spacecraft  thermal  protection  systems  depends  on  its  properties  at  high  temperatures  and on the material behavior under action of external high‐energy heat sources. Thermo‐physical properties define the rate  dT/dτ and the depth δ of heat penetration and, accordingly, the necessary thickness of heat insulator. A simple relationship is  usually applied for evaluation of δ in function of time. Here coefficient K depends on the heating rate of the material surface 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

38

subjected  to  heat  flux  [1].    An  expression  for  K  can  be  obtained  theoretically  only  for  simple  cases  of  uniform  boundary  conditions.  The  typical  mode  of  heating  of  the  sample  front  surface  during  firing  test  of  thermal  protection  material  can  usually  be  approximated  by  considering  two  regions:  Tf=cτ  (linear  growing  up  to  time  τ1)  and  Tf=const  (permanent  front  surface temperature in the process of material degradation during the time interval τ2‐τ1). Each regime is characterized by  corresponding coefficients K1 and K2, respectively. The temperature distribution inside the sample under the second regime  is obtained by a linear superposition of solutions of Fourier equation for these regimes [2]. It can be expected, therefore, that  a  contribution  of  each  thermal  region  to  total  coefficient  K12  is  a  linear  combination  of  K1  and  K2.  Comparison  of  results  using  this  formula  with  accurate  numerical  calculations  shows  high  accuracy  of  such  modeling.  Therefore      this  simplified  formula  can  be  recommended  for  application  in  engineering  practice  for  estimating  thermal  diffusivity  of  material  during  test‐firing of heat shielding materials.       [1] Ju.V. Polezhaev and A.A. Shishkov, Gas‐dynamic testing of heat shield, Promedek, Moscow, 248 (1992)  [2] H.S. Carslaw and J.C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids, Oxford Univ. Press, London and New York, 488 (1959)      ………………  DSL379  Mrs. Amina Radhouane  Unit of Heat and Thermodynamics of the Industrial Processes,   National Engineering School of Monastir, Route of Ouardanine,   5000 Monastir, Tunisia   

Dispersion of Twin Inclined Fume Jets of Variable Temperature   Within a Crossflow  A. Radhouane1, N. Mahjoub Said1, H. Mhiri1, G. Le Palec2, P. Bournot2  1 Unit of Heat and Thermodynamics of the Industrial Processes, National Engineering  School of Monastir, Route of Ouardanine, 500 Monastir, Tunisia  2 IUSTI, UMR 6595, Technopôle Château‐Gombert, 5 rue Enrico Fermi  13013 Marseille, Cedex 20, France    The  “Jets  in  crossflow”  configuration  has  been  extensively  handled  in  the  literature  due  to  its  wide  applicability  in  several  fields.  It  is  found  in  the  aerodynamic  applications  like  the  chimney  stack  exhaust,  V/STOL  aircrafts,  etc…in  the  industrial  applications  like  the  film  cooling  on  turbine  blades,  the  dilution  holes  in  gas  turbine  combustors,  fuel  injection  within  combustion and/or chemical chambers, etc… Researches were rather dedicated to single and multiple jet configurations. The  intermediate twin jet configuration was sensibly less explored in spite of its great interest. That’s why we propose to explore  in  the  present  work.  We  will  particularly  focus  on  the  impact  of  the  gradient  between  the  jets  and  the  crossflow  temperatures on the resulting flowfield and more particularly on the dispersion of the fume contained within the jet nozzles.  Being a transition between two common configurations makes the present one very interesting as its understanding is likely  to highlight the consequences of introducing a second jet in the whole mixing process and to give an overview of the multiple  jet  case  that will  simply be  a generalization  of this case. The  modelling  of  the  present twin jet  configuration will be based  upon  the  resolution  of  the  Navier  stokes  conservation  equations  by  means  of  the  finite  volume  method  and  the  RSM  (Reynolds Stress Model) second order turbulent model. A non uniform grid system particularly refined near the jet nozzles is  adopted in order to detail the near field that shields the most interesting phenomena: the jets’ evolving, their mutual mixing,  their mixing with the environing crossflow, the cooling/heating process, etc… The validity of the elaborated model was based  upon PIV (Particle Image Velocimetry) experiments that were already carried out on the same configuration. Once validated,  the  model  was  generalized  by  introducing  a  non  reactive  fume  within  the  jet  nozzles  and  imposing  a  variable  gradient  between  the  interacting  flows’  temperatures.  The  impact  of  the  latter  was  particularly  evaluated  on  the  dispersion  of  the  handled fume due to the relevance of the phenomenon and its close relationship to the pollution problem both in air and  water media.      ………………  DSL455  Dr. A. Benbrik 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

39

University of Boumerdes,   Faculty of Hydrocarbons 35000,   Boumerdes, Algeria   

Water Curtain Dimensioning for the protection of Hydrocarbon Storage Tank   Against Thermal Radiation  1M. Cherifi, 1A. Benbrik, 2D. Lemonnier  1University of Boumerdes, Faculty of Hydrocarbons 35000, Boumerdes, Algeria  2Laboratoire d’Etudes Thermiques, ENSMA, Futuroscope, France    In  the  early  years  of  the  oil  and  gas  industry,  fire  in  storage  tanks  was  the  common  root  of  most  of  the  incidents.  One  technique  to  protect  the  integrity  of  neighboring  tanks  is  the  water  spray  curtain,  which  can  provide  thermal  shielding  against fire.   This study presents a numerical simulation of radiative heat transfer by the Mont Carlo method through a semitransparent  medium (water spray curtain) containing water droplets and gas for the design of an effective thermal shielding system to  protect LNG (or combustibles) storage tank against fire. This model will allow us to calculate exactly the attenuation factor of  the water curtain as a function of its thickness, density and the size of water droplets. The medium is considered as a non  grey, absorbing and anisotropically scattering. The spectral behavior of the medium is taken into account by the Mie theory  [1]  and  the  SNB  model  [2]  applied  respectively  to  water  droplets  and  gas  (H2O,  CO  and  CO2).  The  calculated  results  are  satisfactorily in agreement with the experimental data [3]. An application of these results to a real case of LNG storage tank  was made and obtained a specifically characteristics of the curtain (thickness, density and the droplets size) for the maximum  radiative heat flux. An attenuation factor up to 90% can be expected.    [1] C.F. Bohren, D.R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles, (New York, Wiley, 1983).  [2] A. Soufiani and J. Taine, High Temperature Gas Radiative Property Parameters of Statistical Narrow‐Band Model for H2O,  CO2 and CO, and Correlated‐K Model for H2O and CO2, Technical note in Int. J. of Heat and Mass Transfer, 40, 987–991  (1997).  [3] S. Dembélé, Modélisation et Etude Expérimentale des Transferts de Chaleur par Rayonnement dans un Rideau d’Eau  Diphasique. Application à la Protection Incendie d’Installations Industrielles à Risques. Thèse de Doctorat, Institut National  des Sciences Appliquées de Lyon, France (1998).      ………………  DSL467  Dr. Ho‐Saeng Lee   College of Engineering,   Pukyong National University,  Pusan 608‐739, Korea   

Analysis of Cryogenic Refrigeration Cycle using Two Stage Intercooler  H. S. Lee1, S. T. Oh2, H. W. Kim2, J. I. Yoon1, K. B. Lee1, S. G. Lee3  1 College of Engineering, Pukyong National University, Pusan 608‐739, Korea  2 Graduate School, Dept. of Refrigeration & Air‐conditioning Engineering,  Pukyong National University, Pusan 608‐739, Korea  3KOGAS, Dongchun‐Dong, Yeonsu‐Gu, Incheon, 406‐130, Korea    Natural  gas  is  being  preferred  as  the  environmental‐friendly  energy  which  has  colorless,  odorless  and  non‐toxic  characteristics. Furthermore consumption rate of natural gas is increasing according to increment of international oil prices.  Natural  gas  transportation  systems  are  divided  into  PNG  (Pipeline  Natural  Gas)  system  and  LNG  (Liquefied  Natural  Gas)  system.  LNG  system  has  an  advantage  which  is  easier  to  transfer  with  handling  smaller  volume  about  1/600  than  PNG  system. Therefore, natural gas liquefaction industry has been in the spotlight recently  as the higher value industry. Energy  efficiency is important to LNG production as feed gas is consumed in order to carryout theliq uefaction process. In this paper,  two different types of natural gas liquefaction cycle with staged compression were designed and simulated for development  of liquefaction process which is the core technology in the industry of natural gas liquefaction plant. These include a cascade  cycle  with  two‐stage  intercooler  which  is  consisted  of  Propane,  Ethylene  and  Methane  cycle.  Also,  these  cycles  compared  with modified staged compression process. The key parameters of the above cascade cycles were compared and analyzed. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

40

The COP (Coefficient of Performance) of cascade cycle with two‐stage intercooler and modified staged compression process  showed about 12% and 23% high than that of basic cycle, respectively. Also, the yield efficiency of LNG improved comparing  with the basic cycle by 28% lower specific power.    [1] Jorgen Bauck Jensen et. al, Optimal oprtation of a mixed fluid cascade LNG plant, 9th International symposium on process  systems engineering, 1569‐1574 (2006).  [2] S.G. Lee et. al, The state of art of LNG Liquefaction Plant Technologies, The 3rd Korean Congress of Refrigeration, 65‐68  (2009).      ………………  DSL518  Mr. Seung‐Moon Baek   Department of Refrigeration and Air‐Conditioning Engineering,   Pukyong National University, Busan 608‐739,   Korea   

Decrease Effect in Fouling on Plate Heat Exchanger Using Air Bubble  Seung‐Moon Baek1, Won‐Sil Seol2, Ho‐Saeng Lee3 and Jung‐In Yoon3   1 Graduate School, Department of Refrigeration and Air‐Conditioning Engineering, Pukyong National University, Busan 608‐ 739, Korea  2 EME Co. Ltd., 556‐15 Eomgung‐dong, Sasang‐gu, Busan 617‐030, Korea  3 College of Engineering, Pukyong National University, Busan 608‐739, Korea    The  heat  transfer  performance  of  plate heat  exchanger  decreases  as time goes  by.  The  main  reason  for  this phenomenon  causes by the fouling on plate of heat exchanger. To remove the fouling, we have usually cleaned the plate of heat exchanger  using  chemicals  or polishing  by brush or  cloth  with hand after  stopping the equipment  and disassembling  heat  exchanger.  But, to clean the plate using this method, the equipment needs to be stopped and disjointed heat exchanger. And we need to  re‐joint after cleaning. Especially, the concern of environmental pollution happens in case of using chemicals. Therefore, we  need to develop automatic fouling removal equipment which can keep high heat transfer efficiency continuously and solve  the problem of environmental pollution. Until now, automatic fouling removal equipment has been developed and supplied  using the method which cleans plate by sponge ball for multi‐pass shell & tube heat exchanger, but there is no equipment  which can clean plate heat exchanger. So, in this paper, we developed and tested the equipment which can clean the fouling  on plate heat exchanger automatically per constant period and interval using air bubble. The total heat transfer coefficient  decreased with slower tendency on occasion of using air bubble than that of the existing method. Also, it was revealed that  the variation of total heat transfer coefficient was affected by the size of air bubble and water velocity.     Acknowledgments: This research was supported by EME Co. Ltd, and Small & Medium Business Administration of Korea  government.    [1] T.R. Bott., The Fouling of Heat Exchangers, Elsevier Science, New York (1995)   [2] M.S. Abd‐Elhady, C.C.M. Rindt, and A.A. van Steenhoven, Optimization of Flow Direction to Minimize Particulate Fouling  of Heat Exchangers. Proceedings of 7th International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning (Engineering  Conferences International, Tomar, Portugal, July 1 ‐ 6, 2007)       ………………  DSL524  Mrs. Mihwa Choi  Engineering Center,   Korean Electric Power Research Institute,  Daejeon 305‐380, Korea   

Formation, Structure and Influence of Hematite Scale Grown in Oxygenated Treatment  Boilers on the Thermal Conductivity  Mihwa Choi1, Seugran Yang1, Seungmin Lee1, Keesam Shin2, Junghwa Seo2 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

41

1Engineering Center, Korean Electric Power Research Institute, Daejeon 305‐380, Korea.  2School of Nano and Advanced Materials, Changwon National University, Changwon, Korea.    As time passes, corrosion scale forms and builds up on the inner most side the boiler tubes used in a fossil power plant. The  main components of the corrosion products are iron oxide, magnetite and/or hematite, whose fraction and crystal structures  depend on water treatment method. Since the introduction of the supercritical pressure boilers as large as 500MW in early  1990s, almost of the volatile treatment (AVT) has changed to oxygenated treatment (OT) which are applied in almost all the  boilers. Upon the change of water treatment from AVT to OT, the scale of 13CrMo44 tube used in water system has changed  to  hematite  from  magnetite.  Control  of  tube  scale  is  very  important  in  power  plant  since  its  build  up  often  causes  local  overheating resulting in an explosive rupture or bad efficiency of heat conduction, causing abrupt failure with severe damage  in maintenance. However, studies are rare on this topic up until now. In this study, crystal structure and thickness change of  the scale in addition to the heat change  in  relation the water treatment method. The  crystal structure and microstructure  was analyzed using EBSD (Electron Back Scatter Diffraction). Image analyzer and laser flash method were used for thickness  measurement  and  thermal  conductivity  measurement,  respectively.  The  scales  were  formed  of  three  different  layers  including mixture of magnetite and hematite, and the conductivity of the scale was lower when hematite is also present in  addition to the magnetite. In case of steam tubes, same trend was observed. In addition, hematite was also formed in the  inner most surface layer, which is yet to be clarified if it is caused by the change of the water system treatment. At any rate,  it  was  clear  that  the  heat  conductivity  is  decreasing  when  hematite  is  present.  Results  on  microstructural  evolution  and  crystal structures will also be presented.     Keyword: scale, hematite, thermal conductivity, scale thickness, X20CrMoV12.1, 13CrMo44       ………………  DSL224  Dr. Imen Gaied   

New Photothermal Deflection method to determine thermal properties   of bulk semiconductors  Imen Gaied1, Salima Lassoued1, Fredéric Genty2 and Noureddine Yacoubi1  1Institut Préparatoire Aux Etudes d’Ingénieur de Nabeul IPEIN Merazka 8000 Nabeul‐Tunisie  2Groupe NANOMIR de l'Institut d'Electronique du Sud (IES, UMR UM2/CNRS n°5214) Université Montpellier 2 France    In  this  paper,  we present a  new phothermal  deflection  technique (PTD)  to determine thermal properties of  bulk  doped or  undoped semiconductor such as GaAs, GaSb, InAs, etc…The method proposed here consist in covering the sample with a thin  graphite layer in order to increase the photothermal signal and to avoid any reflection on the sample surface. This method  deals  with  the  analysis  of  the  logarithm  of  amplitude  and  phase  variation  of  the  photothermal  signal  versus  square  root  modulation frequency where the sample is placed in air and heated by a modulated light beam coming from a halogen lamp.  So  the  best  coincidence  between  experimental  curves  and  corresponding  theoretical  ones  gives  simultaneously  the  best  values of thermal conductivity and thermal diffusivity of the sample. The obtained values are in good agreement with those  found in literature. The advantage of applying this method in this way lies in its simplicity and its sensibility to both thermal  conductivity and thermal diffusivity.      ………………  DSL299  Prof. Anthony Straatman   

Modeling Thermal Dispersion in High‐Conductivity Porous Materials  C.T. DeGroot1, A.G. Straatman1  1The University of Western Ontario, London, Ontario, N6A 3K7, Canada    Transport in porous media has many applications in the sciences and engineering, including filtration, packed bed reactors,  groundwater  flows,  and  enhanced  heat  transfer.  In  heat  transfer  applications,  modern  graphitic  foams  have  shown  great  potential due to their high effective thermal conductivity and large internal surface area. Analysis of flow and heat transfer in  porous  media  is  typically  conducted  using  volume‐averaged  equations  for  the  macroscopic  flow  and  thermal  fields,  rather 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

42

than  directly  simulating  the  pore‐level  flow.  The  process  of  volume‐averaging  the  energy  equations,  however,  introduces  new  unknowns  as  it  becomes  necessary  to  decompose  the  velocity  and  temperature  fields  into  the  sum  of  their  volume‐ average  and  a  spatial  deviation  [1].  The  spatial  deviation  terms  are  recast  in  terms  of  closure  functions,  which  map  the  volume‐averaged fields  onto  the  pore‐level  deviations.  As  a  result,  the  deviation  terms  may be recast as  volume‐averaged  terms with coefficients defined by the closure functions. The goal of the present work is to examine the details of the pore‐ level  flow  in  high‐conductivity  graphitic  foams,  in  order  to  produce  a  closed,  volume‐averaged  model  for  flow  and  heat  transfer  in  such  materials.  Due  to  the  high‐conductivity  of  the  medium  considered  here,  local  thermal  non‐equilibrium  between the fluid and solid phases is assumed to exist. The approach taken in this work is to solve for the flow and closure  function fields in an idealized spherical‐void pore geometry [2] using a 3‐dimensional, unstructured, finite‐volume CFD code.  Integration of the closure function fields provides results for the thermal dispersion conductivity and interfacial heat transfer,  which are presented for a range of Reynolds and Prandtl numbers. In addition to providing a closed model for the study of  flow and heat transfer in graphitic foams, results provide new insight into inertial effects on dispersion behaviour.    [1] S. Whitaker, in Fluid Transport in Porous Media, Vol. 1, p. 1, J. Prieur du Plessis, Ed. (Springer‐Verlag, Southampton, UK,  1997).  [2] Q. Yu, B.E. Thompson, and A.G. Straatman, ASME J. Heat Transfer, 128, 352(2006). 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

43

  Mass transport and related phenomena in metals  and alloys 

                             

DSL329  DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

44

Mr. Ladislav Celko   Brno University of Technology,   Faculty of Mechanical Engineering,   Institute of Materials Science and   Engineering, Brno, Technická 2, 616 69,   Czech Republic   

Diffusion in Al‐Ni and Al‐NiCr Interfaces at Moderated Temperatures  L. Celko1, L. Klakurková1, J. Svejcar1  1Brno University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Materials Science and  Engineering, Brno, Technická 2, 616 69, Czech Republic.    The diffusion couples for experimental study were prepared by HVOF spraying of nickel and nickel with 20 wt. %  of  chromium  powders  onto  the  aluminium  sheet’s  surface.  The  interfaces  with  sharp  gradient  of  chemical  concentration  of  these  elements  were  prepared.  Annealing  at  the  temperatures  600°C  and  630°C,  close  to  the  Al+Al3Ni  eutectic  melting  point  (639.9°C),  with  different  dwell  times  were  realized.  The  reactants  during  the  annealing  diffuse  and  create  layers  of  Al3Ni2  and  Al3Ni  intermediate  phase  compositions.  Moreover,  nickel  without  assistance  of  chromium  diffuses  preferably  by  using  grain  boundaries  into  aluminium  substrate  and  produces the strengthening of the substrate by stable Al3Ni and metastable Al9Ni2 particles. The microstructures  were obtained by scanning electron microscope. Layer thickness measurements were realized by means of image  analyses.  Chemical  composition  was  estimated by  energy dispersive  microanalysis  measurements.  According  to  the  results  of  these  analyses  performed  the  average  chemical  interdiffusion  coefficients  and  Wagner’s  integral  interdiffusion coefficients were calculated.        DSL138  Dr. Carlo Massobrio  Institut de Physique et de Chimie des   Matériaux de Strasbourg,   23 Rue du Loess, BP 43,  F‐67034 Strasbourg Cedex 2,   France 

 

Understanding Diffusion on Fcc(111) Transition Metal Surfaces: Exchange Diffusion and  Mechanism of Preferential Nucleation  C.Massobrio  Institut de Physique et de Chimie des Matériaux de Strasbourg, 23 Rue du Loess, BP 43, F‐67034 Strasbourg Cedex 2, France    Atomic‐scale simulation has largely contributed to gain insight into the diffusion properties of metallic species on transition  metal substrates. Early experimental pieces of evidence on unconventional mechanisms (exchanges) occurring on relatively  open  surfaces  (such  as  the  (100)  and  the  (110)  ones)  were  substantiated  by  molecular  dynamics  results  confirming  that  exchanges processes are a viable alternative to atomic hopping. However, on the modeling side, the simple analysis of the  exchange mechanism on an unreconstructed fcc(111) substrate was found to be lacking.  This was due to the prohibitively  high  barrier  associated  with  this  movement,  this  same  high  barrier  being  responsible  for  the  predominance  of  hopping.  Renewed interest for migration on fcc(111) surfaces has been stirred by the discovery of preferential nucleation on specific  sites occurring on selected reconstructed surfaces, such as Au(111). The question arises on the atomic origin of this specific  process and to its interplay with the diffusion scenario for the movement of atoms and clusters on compact surfaces. Very  recently, we have applied large‐scale molecular dynamics to the understanding of two related issues related to morphology  and dynamics of metallic species on  fcc (111) substrates (1,2).    As a first contribution (1), we have highlighted two different kinds of medium range diffusion via exchanges, medium range  involving  surface  atoms  next‐nearest  neighbors  of  surface  atoms.  By  considering  Au(111)  and  Pt(111)  substrates,  we  have  shown that medium range diffusion can occur in a concerted movement of the ad‐atoms and two surface atoms or through a  pair of two correlated short range exchanges. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

45

 In a further investigation (2) carried out on a very large molecular dynamics system (47613 Au atoms on which Co atoms are  deposited)  we  have  proposed  a  new  atomic  mechanism  for  preferential  nucleation  on  the  herringbone  reconstruction  of  Au(111). The origin of this mechanism is rooted into the topology of the potential energy surface for Co/Au(111) adsorption.  The  movement  of  Co  atoms  toward  the  most  stable  sites  of  the  reconstructed  surface  has  been  followed  in  real  time,  providing  a  clear  picture  in  which  kinetics  and  energetics  concur  to  the  formation  of  Co  islands  at  the  kinks  of  the  reconstruction, in line with experimental evidence.    References:  1) H. Bulou and C.Massobrio, Mechanism of exchange diffusion on fcc(111) transition metals surfaces, Phys. Rev. B 72,  205427 (2005).  2) H. Bulou and C. Massobrio, New atomic mechanism of preferential nucleation on the herringbone reconstruction of  Au(111), J. of Physical Chemistry, Letters 112, 8743 (2008).      ………………  VIP‐DSL028  Prof. Dezső L. Beke  Department of Solid State Physics,   University of Debrecen,   4032Debrecen, P.O.Box 2.,   Hungary  

 

On the Grain‐Boundary Diffusion in Polycrystalline Materials and Thin Films   D.L. Beke1, J. Bernardini2  1Department of Solid State Physics, University of Debrecen, 4010 Debrecen, p.o.box.2. Hungray   email: [email protected]  2L2MP case 141,  Faculté des Sciences St Jérôme, 13397 Marseille Cedex 20, France          In this lecture we will give mainly an overview of our activity in research on grain boundary, GB, diffusion in different metallic  substrates at Laboratories of Debrecen’s and Marseilles group. The lecture is dedicated in honour of professor Bokstein, since  many  of  the result were obtained  on  the  basis  of  stimulating  discussions with  him.  The following  problems  (and  still  open  questions related to them) will be addressed:  i)  Diffusion  in  a  random  network  of  grain  boundaries  with  different  structures  and  diffusion  coefficients  in  polycrystalline  materials  ii) Studies of GB diffusion in thin films by surface analytical techniques   iii) Grain boundary segregation and diffusion  iv) Transition between B and C kinetic regimes of GB diffusion   v) Diffusion along special grain boundaries in bi‐crystals.            ………………  DSL090  Prof. Yuh Fukai  Institute of Science and Engineering,   Chuo University, Bunkyo‐ku, Tokyo 112‐8551  Japan 

 

Hydrogen‐Induced Enhancement of Atomic Diffusion in Metals   Y. Fukai   Institute of Science and Engineering, Chuo University, Bunkyo‐ku, Tokyo 112‐8551    In 1993 we discovered that a large number of metal‐atom vacancies were formed in Ni and Pd placed under high hydrogen  pressures and high temperatures. After subsequent extensive studies, it has come to be recognized that this phenomenon,  called  superabundant  vacancy  (SAV)  formation,  is  a  general  feature  of  M‐H  alloys,  caused  by    reduction  of  the  formation  energy of a vacancy by trapping a multiple number of interstitial H atoms [1,2]. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

46

 One of the most important consequences of SAV formation is the enhancement of M‐atom diffusion. The diffusivity of M‐ atoms, given by D = xvDv, is increased because the vacancy concentration xv is increased dramatically whereas the vacancy  diffusivity  Dv  is  only  modestly  decreased  by  trapping  H  atoms.  Enhancements  by  many  orders  of  magnitude  have  been  observed  in  the  interdiffusion  of  Pd‐Rh  [3],  Cu‐Ni  [4]  and  Au‐Fe  [5]  systems,  and  in  the  self‐diffusion  in  Nb  [6,  7].  Recent  measurements  using nuclear  resonant  scattering  of  57Fe have  indicated  that  similar  enhancements  of  diffusion  take place  when  Fe  samples  are  placed  in  contact  with  water  at  ~1GPa  and  600~800°C.  Some  implications  of  the  hydrogen‐induced  diffusion enhancement for materials science will also be noted.     [1] Y. Fukai, The Metal‐Hydrogen System, 2nd Ed. (Springer, Berlin, 2005).   [2] Y. Fukai, H. Sugimoto, J. Phys.: Condens. Matter 19, 436201 (2007).                         [3] K. Watanabe, N. Ōkuma, Y. Fukai, Y. Sakamoto, Y. Hayashi, Scr. Mater. 34, 551 (1996).                                                                                       [4] E. Hayashi, Y. Kurokawa, Y. Fukai, Phys. Rev. Lett. 80, 5588 (1998).                        [5] Y. Yamazaki, Y. Iijima, M. Okada, Acta Mater. 52, 1247 (2004).                                 [6] H. Koike, Y. Shizuku, A. Yazaki, Y. Fukai, J. Phys.: Condens. Matter 16, 1335 (2004).                                                                                               [7] T. Iida, Y. Yamazaki, T. Kobayashi, Y. Iijima, Y. Fukai, Acta Mater. 53, 3083 (2005).                                         ………………  DSL424  Prof. Ulrich Krupp  FH Osnabrück ‐ University of Applied Sciences  Faculty of Engineering and Computer Science  Albrechtstr. 30, 49076 Osnabrück  Germany 

 

The Significance of Mechanical Stresses during Internal Corrosion   of Engineering Alloys  U. Krupp1, R. Naraparaju2, H.‐J. Christ2   Faculty of Engineering and Computer Science, University of Applied Sciences Osnabrück, 49009 Osnabrück, Germany  Institut für Werkstofftechnik, Universität Siegen, 57068 Siegen, Germany    u.krupp@fh‐osnabrueck.de    Internal corrosion often results in a premature breakdown of high‐temperature components, e.g. turbine blades in aircraft  engines and land‐based gas turbine or heating elements in furnaces. This can be attributed to both an embrittlement of the  surface layer and the consumption of strengthening elements connected with phase destabilization, e.g. g´ dissolution due to  the precipitation of internal nitrides and oxides. Since the specific volume of these internal precipitates is much higher and  the  thermal  expansion  is  much  lower  than  it  is  the  case  for  the  metallic  matrix  internal  stresses  are  formed  during  the  internal  oxidation  and  nitridation  process  giving  rise  to  micro‐crack  initiation  and  a  reduction  in  the  load‐carrying  cross  section of the respective component.  Several Ni‐base alloys of the system Ni‐Cr‐Al‐Ti were exposed to high temperatures under various conditions at temperatures  between  800°C  and  1100°C:  air,  oxygen‐free  nitrogen  atmosphere,  and  thermal‐cycling.  Corresponding  to  the  extent  of  internal  corrosion  attack  a  surface  coverage  of  base‐metal  protrusions  was  observed.  According  to  earlier  studies  these  protrusions are believed to be a consequence of an outward diffusion flux driven by high compressive stresses in the internal  precipitation  zone.  The  occurrence  of  this  effect  was  supported  by  thermal  cycling,  where  repeated  oxide‐scale  spallation  gave rise to massive internal corrosion accompanied by crack formation. The formation of internal stresses was proven by X‐ ray  diffraction  and  electron  microscopy  and  is  believed  to  be  due  to  dislocation  pipe  diffusion  rather  than  the  Nabarro‐ Herring mechanism.   Mechanically  tests  of  internally‐nitrided  specimens  and  creep  tests  in  oxygen‐free  nitrogen  atmosphere  revealed  a  pronounced brittle behavior showing plenty of cracks exclusively within the internal precipitation zone and an increase in the  internal  corrosion  zone  due  to  creep  loading.  The  experimental  results  are  discussed  taking  a  numerical  treatment,  of  the  diffusion and precipitation processes of the participated species by the self‐developed software tool INCORR into account.          ………………  DSL282 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

47

Mr. Eduardo Ribeiro Lagreca   PEMM‐COPPE/UFRJ, P.O. Box 68505,   21941‐972 Rio de Janeiro, RJ,   Brazil 

 

Hydrogen Diffusivity and Solubility in Pd‐Nb Internally Oxidized Alloys  Authors: E. R. Lagreca1, V. M. Azambuja2 and D. S. dos Santos1  1PEMM‐COPPE/UFRJ, P.O. Box 68505, 21941‐972 Rio de Janeiro, RJ, Brazil  2CEFET‐ES, Av. Vitoria, 1729 ‐ Jucutuquara ‐ Vitoria ‐ES. CEP: 29040‐780    Due to the high hydrogen solubility and diffusivity in their matrix, Pd and Pd‐based alloys are largely used as hydrogen filters  and separators [1]. When internally oxidized, these alloys can have even higher hydrogen permeability, which is desirable for  these applications.  In this work, the hydrogen diffusivity and solubility in Pd‐Nb alloys were studied by using gas hydrogen permeation tests, in  the  conditions  of  solid  solution  and  internally  oxidized  for  24h  at  800°C  and  1000°C.  These  tests  were  undertaken  in  the  temperature  range  of  100‐600°C.  Furthermore,  temperature  programmed  desorption  (TPD)  technique,  to  analyze  the  hydrogen‐trap sites interactions, and X‐ray diffraction were performed.  The hydrogen permeation results showed an expected lower diffusivity for the 800°C internally oxidized alloy, in comparison  with  the  solid  solution  alloy,  because  of  the  presence  of  nanoparticles  dispersed  in  the  matrix,  which  act as  effective  trap  sites for hydrogen diffusion. The hydrogen binding energy with different microstructure was determined by TPD technique. It  was found that the most pronounced binding energy was observed for oxidized Pd‐Nb at 800°C for 24 h.    [1] D. S. dos Santos, V. M. Azambuja, L. Pontonnier, S. Miraglia, D. Fruchart. Journal  of Alloys and Compounds, Volumes 356‐357, 11 August 2003, Pages 236‐239      ………………  DSL293  Mrs. Karla Roberta Freitas da Silva   PEMM‐COPPE/UFRJ, P.O. Box 68505,   21941‐972 Rio de Janeiro, RJ,   Brazil 

 

Hydrogen diffusivity and hydride formation in rich‐Zirconium alloys used in  nuclear reactors  K.R.F. Silva1, D.S. dos Santos1, A.F. Ribeiro1, L.H. Almeida1  1PEMM‐COPPE/UFRJ, P.O. Box 68505, 21941‐972 Rio de Janeiro, RJ, Brazil.    Rich‐Zirconium alloys, or more frequently called Zircaloys, are used in nuclear technology as cladding materials due to their  high  corrosion  resistance,  low  neutron  absorption  and  good  mechanical  properties  at  high  temperatures.  During  service,  these alloys are submitted to high pressure (160 atm) and high temperature (600K). In these conditions, the tubes may suffer  corrosion such as: Zr + 2H2O   ZrO2 + 2H2, and the resulting hydrogen diffuses through the oxide layer and may be absorbed  by the alloy. Hydrogen is known to adversely affect the mechanical properties of zirconium alloys. It has been reported [1]  that  the  operational  performance  of  Zircaloy  tubes  is  largely  restricted  by  problems  associated  with  hydrogen  absorption.  Therefore, considerable work has been done to understand the interaction between hydrogen and the microstructure of the  tubes.  In  this  work,  we  present  a  study  of  the  hydrogen  diffusivity  in  two  zirconium  alloys  used  in  the  nuclear  industry,  named ZirloTM and M5TM by means of hydrogen permeation tests, thermal desorption spectrometry (TDS) and transmission  electron microscopy (TEM) analysis.  The microstructural analysis performed by TEM of the as‐received tubes revealed fine precipitates in the microstructure of  the alloys. The  TDS tests  were  performed after  a hydriding treatment  and the spectra showed peaks  which are  associated  with two trap sites: the precipitates analyzed by TEM and the zirconium hydride. Therefore, it was possible to determine the  hydrogen dissociation energy for each trap site. Finally, the hydrogen permeation tests allowed us to evaluate the role of the  precipitates during hydrogen diffusion and calculate the hydrogen diffusivity in the a‐Zr matrix.    [1] C.E. Coleman and D. Hardy, J. Less Common Met., 11, 168 (1966).   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

48

  ………………  DSL062  Mrs. Beril Kaya  Istanbul Technical University,   Mechanical Engineering, 34437,   Istanbul, Turkey 

 

Ion Nitriding of CoCrMo Alloys  B. Kaya, S. Yilmaz, C. Ergun  Istanbul Technical University, Mechanical Engineering, 34437, Istanbul, TURKEY.    Cobalt‐chromium  based  alloys  have  been  in  use  for  many  decades  as  a  biomedical  material  in  dental  and  orthopedic  applications (such as dental implants and restorations, bone and joint replacement, as well as heart valves, etc.) because of  their excellent mechanical and corrosion properties [1‐3]. However, in vivo mechanical, chemical and biological properties of  these alloys can be improved  by  surface  modifications  in  order to  meet the  requirements  demanded for a  wide variety  of  clinical  applications  [4,  5].  In  this  study,  medical  grade  cast  CoCrMo  alloy  (F75)  was  ion  nitrided  under  different  process  parameters including time (2, 4 and 9 hr) and temperature (600, 700, 8000C) at a gas mixture of 80%N2–20%H2 in order to  accomplish  these  improvements.  The  nitride  surfaces  were  characterized  by  X‐ray  diffraction  (XRD)  and  scanning  electron  microscopy (SEM). Electron probe microanalysis (EPMA) measurements were used to study the cross sections and elemental  distribution of diffusion layers after ion nitriding. The roughness analyses of the surfaces were performed using atomic force  microscopy  (AFM). MicroVickers hardness tests were done on the cross sections and the surface of the nitrided specimens to investigate  the hardness profile. The significant effects of nitriding temperature and time on the microstructure and hardness value of  nitride surface layers were displayed.    [1] J. Black, G. Hastings, Handbook of Biomaterial Properties, p.167, Chapman&Hall, UK (1998).  [2] J.R. Davis, Handbook of Materials for Medical Devices, p.31, ASM International, USA (2003).  [3] J.B. Park, R.S. Lakes, Biomaterials an Introduction, p.83, Plenum Press, USA (1992).  [4] R. Wei, T. Booker, C. Rincon, J. Arps, Surf. Coat. Technol., 186, 305 (2004).  [5] O. Ozturk, U. Turkan, A.E. Eroglu, Surf. Coat. Technol., 200, 5687 (2006).      ………………  DSL110  Mr. Vladimir Esin  Moscow State Institute of Steel and Alloys,  Moscow 119049, Russia 

 

Models for the Porosity Growth and Dissolution in Single‐Crystal   Nickel‐Base Super Alloys  B.S. Bokstein1, V.A. Esin1, A.O. Rodin1, I.L. Svetlov2  1Moscow State Institute of Steel and Alloys, Moscow 119049, Russia  2All‐Russian Institute of Aviation Materials, Moscow 105005, Russia    Blades of the hot stage of gas turbine aeroengines are manufactured from single‐crystal nickelbase superalloys [1]. However,  a dangerous defect ‐ pores ‐ cannot be excluded completely. In spite of their small size, about a few ten of micrometers, they  deteriorate the mechanical properties significantly, especially the fatigue lifetime [2]. The investigation of the methods of the  porosity growth and dissolution is of high importance for improving the mechanical properties.  In the present work an analytical model for the pores growth during homogenization was developed based on the Kirkendall‐ Frenkel  effect:  generation  of  vacancies  due  to  imbalanced  cross‐diffusion  of  the  alloying  elements.  Numerical  results  obtained using the structural parameters of the alloy CMSX‐4 give a satisfactory agreement with the measured porosity. The  degree  of  dendritic  segregation  of  the  alloying  elements,  their  diffusion  coefficients  and  the  spacing  of  the  dendrites  determine the growth rate of the pores during homogenization. For the long periods of time the saturation of porosity was  shown. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

49

A  thermodynamic  and  kinetic  model  for  the  diffusion  dissolution  of  pores  during  Hot  Isostatic  Pressure  (HIP)  [3,  4]  was  proposed.  The  determining  role  of  the  applied  pressure  for  the  pores  with  the  radius  more  than  100  nm  was  shown.  The  dissolution time is proportional to the square of the initial pore radius and inverse pressure. The small pores (radius less than  100 nm) dissolve rapidly under the capillary forces.    [1] R.E. Shalin, I.L. Svetlov, E.B. Kachanov et al. Single‐Crystals of Nickel‐Base Superalloys,  Mashinostroenie, Moscow 1997.  [2] K. Fullagar, R. Broomfield, M. Hulands et al. The 39th ASME/IGTI International Gas Turbine and Aero Engine Congress and  Exposition, ASME, New York, pp. 1‐12, 1994.  [3] Z.Q. Chen, N. Jones, D.M. Knowels. Acta Mater. 50, 1095 (2002).  [4] S.S. Haurov. Technology of light alloys. 3, 43 (1985).      ………………  DSL398  Dr. Faina Muktepavela  Institute of Solid State Physics, University of Latvia,   Riga LV1063, Latvia 

 

The Role of Diffusion Accommodation and Phase Transformation in the Deformation  Behaviour of the Interphase Boundaries in Ultrafine   Grained Sn‐Pb Eutectic  F.Muktepavela1, R.Zabels  Institute of Solid State Physics University of Latvia, LV1063 Riga, LATVIA    The mechanical properties of the interphase boundaries (IB) and phases in the Sn– 38wt.%Pb eutectic both in the deformed  and annealed state were investigated at room temperature using tensile, micro‐ and nanoindentation tests. SEM, AFM and  optical microscopy were used for the structural investigations. It has been shown that the deformation of the alloy occurs at  the Pb/Sn IB in the form of the superplastic GBS. The softening of the Pb/Sn IB and the high plasticity of the deformed Sn–Pb  eutectic  during  GBS  are  caused  by  the  fast  developing  sintering  (micropores  closing)  processes  under  the  action  of  the  capillary  forces  on  the  Pb/Sn  IB.  These  diffusion  accommodation  processes  are  facilitated  by  the  low  values  of  the  Pb/Sn  interphase  energy  (0.07  J/m2)  and  kinetically  allowed  due  to  the  relatively  high  homologous  temperature  (>0.5∙Tm)  [1].  During plastic deformation the decrease of the grain size of the eutectic is accompanied by the lead diffusion along the grain  boundaries of tin. Thus, the grain boundaries Sn/Sn vanish being substituted by the IB Pb/Sn. Such process of grain boundary  phase transition due to the tin’s overlaying with lead is thermodynamically favourable because the condition γGB > 2 γIB is  satisfied.  From  the  results  of  micro‐  and  nanohardness  measurements  it  follows  that  both  the  Sn  and  Pb  phase  in  the  annealed  eutectic are strengthened and the relaxation processes occur mainly at the IB. The IB in the annealed Sn–Pb eutectic act as  barriers to the motion of dislocation ensemble when the size of the plastic zone is comparable to the grain size and lower the  hardness values due to the development of GBS when more grains are involved in the process of deformation.  The  obtained  values  of  the  nanohardness  and  elastic  modulus  evidence  that  the  IBs  in  the  Sn–Pb  eutectic  have  to  be  considered as a separate quasi‐phase with its own properties.    [1] F.Muktepavela, N.Zaporina Defects and Diffusion Forum, 237‐240, 745 (2005)      ………………  DSL095  Mr. Peter Varga  Budapest Tech Polytechnical Institution   Banki Donat Faculty of Mechanical and Safety Engineering,  Department of Materials Science and Technology,   Budapest, 1081, Hungary 

 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

50

The Effect of Alloying Elements on the Stability of Centerline Segregation  Mihaly Reger1, Balazs Vero2, Ibolya Kardos3, Peter Varga1  1Budapest Tech Polytechnical Institution Banki Donat Faculty of Mechanical and Safety Engineering, Department of Materials  Science and Technology, Budapest, 1080, Hungary  2Bay Zoltan Foundation, Institute for Materials and Technology, Budapest, 1116, Hungary  3 ISD DUNAFERR Co., Innovation Management, Dunaujvaros, 3500, Hungary    The paper deals with the stability of centerline inhomogenity of the continuously cast slabs. The centerline segregation is a  disadvantageous failure of slabs which can affect the quality properties of the products. During the hot rolling of the slabs the  centerline segregation pattern will become thin and stretch and it can detect also in the middle part of heavy plates and coils  It is a common experience that the centerline segregation of heavy plates can not decrease easily by post heat treatment.  The  pattern  of  the  centerline  segregation  was  modeled  physically  by  preparing  a  sandwich  structure  of  steel  plates  with  different  levels  of  carbon  and  alloying  elements.  Homogenization  experiments  were  performed  and  the  samples  were  examined metallographically. Diffusional calculations proved the governing role of carbon activity which is influenced by the  distribution of alloying elements.    Keywords: centerline segregation, activity of carbon, effect of manganese, diffusional homogenization      ………………  DSL239  Mrs. AnjaInes Pommrich  Institut für Materialphysik im Weltraum,   Deutsches Zentrum für Luft‐ und Raumfahrt (DLR),   51170 Köln, Germany   

Self‐diffusion of transition metal X in Si90X10 melt  A. I. Pommrich 1, A. Meyer1 , D. Holland‐Moritz1, T. Unruh2  1Institut für Materialphysik im Weltraum, Deutsches Zentrum für Luft‐ und Raumfahrt (DLR), 51170 Köln,  Germany.2Forschungsneutronenquelle Heinz Maier‐Leibnitz, FRM‐II, Technische Universität München, 85747 Garching,  Germany    Crystal  growth  is  limited  by  diffusion  of  mass  in  the  melt.  For  an  understanding  of  the  underlying  mechanisms  of  mass  transport  the  knowledge  of  temperature  and  concentration  dependence  of  the  diffusion  coefficients  is  a  necessary  prerequisite.  However, diffusion experiments on liquid Silicon are challenging due to the high chemical reactivity of liquid Silicon and the  high  process  temperatures  involved.  In  addition  in  diffusion  experiments,  applying  capillary  methods,  data  are  altered  by  buoyancy driven convection effects.  We combine containerless processing via electromagnatic levitation with quasi‐elastic neutron scattering and measure self‐ diffusion coefficients [1].  We studied the self‐diffusion of Ni, Ti and Co in liquid silicon in a wide temperature range of several 100 K above and below  the respective liquidus temperature.  The results show that the self‐diffusion of Ni, Ti and Co in liquid Silicon is quite similar with values in the range of 10‐8 m2s‐1 .  The  diffusion  of  Ni  in  liquid  Silicon  is  independent  of  alloy  composition  from  5  to  20  atm‐%  Ni  [2].  The  Ni  self‐diffusion  in  liquid Silicon is about a factor of 5 faster then in pure liquid Ni and governed by the mobility of the Si majority component.    [1] A. Meyer, S. Stüber, D. Holland‐Moritz, O. Heinen and T. Unruh, Phys. Rev. B, 77, 092201 (2008).  [2] A. I. Pommrich, A. Meyer, D. Holland‐Moritz and T. Unruh, Appl. Phys. Lett., 92, 241922 (2008).      ………………  DSL470  Prof. Young‐Woon Kim  Department of Materials Science and Engineering,   Seoul National University, Gwanak‐gu Silimdong  San 56‐1, Seoul 151‐744, Korea 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

51

 

In‐situ observation of deformation twin in TWIP steel  Sung‐Il Baik,* Tae‐Young Ahn,* Woong‐Pyo Hong,* Yeon‐Seung Jung,** Young‐Kook Lee,** and  Young‐Woon Kim.*  * Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University, Gwanak‐gu Silimdong  San 56‐1, Seoul 151‐744, Korea  ** Department of Metallurgical Engineering, Yonsei University, Shinchon‐dong 134, Seodaemun‐gu,  Seoul 120‐749, Korea    Fe–Mn twinning‐induced plasticity (TWIP) steels have attracted research attention due to its high strength and exceptional  plasticity in recent years [1]. These enhanced superior formability and strength satisfied the improved safety standards for  high  energy  absorption  in  the  construction  and  crash  resistance  in  the  automotive  industry.  In  this  Fe  ‐  Mn  TWIP  steel,  stacking  fault  energy  (SFE)  is  the  key  parameter  to  determine  the  strengthening  mechanism  [2].  But  stacking  fault  related  microstructure  changes  were  well  studied  but  the  formation  mechanism  of  twin  is  not  well  understood.  In  this  study,  the  generation of mechanical twin was observed by in‐situ tensile test in TEM and the effect of SFE was discussed linked with the  measured SFE. Plan view TEM (PTEM) tensile samples were prepared by wire‐cutting method. Sample thinning was made by  going through a typical sample preparation technique by grinding polishing, and followed by electrochemical thinning. Philips  CM20 and JEOL 3000F were used to investigate the microstructural changes after in‐situ deformation. Sequential generation  of dislocations movement, planar glide, stacking fault, twin at near [110] zone axis of TWIP steel were observed. True strain  in  tensile  sample  was  marked  in  the  bottom,  which  was  measured  by  reference  point  marked  before  tensile  strain.  Dislocation  movement  in  this  TWIP  steel  starts  at  (111)  planar  slip  plane  and  then  split  into  partial  dislocations  to  form  stacking faults (SF). After the formation of the first operation of dislocations in the grain with low Schmid factor, dislocations  from  other  slip  planes  were  generated  across  the  planar  glide.  Sequential  SF  generate  twin  along  the  crossed  dislocation.  Twin acts as a fracture source in the further strain along the (111) plane. Stacking fault and twin in TWIP steel are shown in  high resolution image and selected area diffraction pattern at [110] zone axis. Darkfield image of (002) twin spot from SADP  confirmed that there existed twin. In the initial stage, planar glide occurred and formed stacking faults with further strain,  which  was,  in  turn,  believed  to  form  twins.  Movement  of  dislocation  and  twin  generation  were  affected  by  the  weight  percent of Mn contents. Reduction of Mn contents decreased of stacking fault energy. And these lowering of SFE lead to non‐ sequential stacking fault and makes epsilon martensite.    References  [1] O. Grassel et. al., J. Appl. Phys., IV 5, (1997) 383.  [2] B. X. Huang et. al., Meter. Sci. Eng. A 438‐440 (2006) 306.  [3] This study was supported by a grant from the Fundamental R&D Program for Core Technology of  Materials funded by the Ministry of Commerce, Industry and Energy, Republic of Korea.      ………………  DSL326  Dr. Thomas Hummelshøj  Technical University of Denmark,  Department of Mechanical Engineering,  Kemitorvet b. 204 DK‐2800 Kgs. Lyngby Denmark    Systematic studies of metal dusting corrosion  T. S. Hummelshøj1 T. Christiansen1 and M.A.J. Somers1  1Technical University of Denmark  Department of Mechanical Engineering  Kemitorvet b. 204 DK‐2800 Kgs. Lyngby Denmark    Keywords: Metal dusting corrosion; stainless steel; expanded austenite; kinetics    Fe‐based (steel) and Ni‐based high chromium alloys are widely applied as high temperature materials in the petrochemical  industry. All Fe‐based and Ni‐based metals in high temperature processes that get in contact with carbon‐bearing gases like  syngas  in  the  temperature  range  450C‐850C  are  subjected  to  carburization,  i.e.  dissolution  of  carbon  in  the  alloy  and  the  development of carbides. Generally, such carburization may lead to a very aggressive corrosion phenomenon known as metal 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

52

dusting (MD) or catastrophic carburizing [1, 2]. The metal dusting corrosion manifests itself as a mixture of fine carbides, pure  metal particles and carbon dust and can be in the form of pitting and general metal wastage.  The  wide  range  of  incubation  times,  and  consequently,  specimen  exposure  times  ranging  from  350  hours  to  4  years  has  greatly  complicated,  and  has  as  yet,  hindered  a  thorough  investigation  of  the  parameters  influencing  the  kinetics  of  the  catastrophic carburizing process. For which reason, very few systematic investigations of the mechanism and the kinetics can  be found.  Hitherto,  the  decomposition  of  carbon  expanded  austenite  has  not  been  associated  with  the  metal  dusting  corrosion  mechanism.  Reported  research  has  neither  included  the  occurrence  and  subsequent  decomposition  of  carbon  expanded  austenite, nor a description of the actual formation of carbides. Specifically the decomposition sequence in carbon expanded  austenite has not been investigated. The process subsequent to the onset of MD is in general referred to as ‘carburization  and  carbide  formation’.  In  order  to  be  able  to  make  reliable  forecasts  of  the  time  to  the  onset  of  MD,  it  is  necessary  to  include the development and decomposition of carbon expanded austenite.  In this study, a fundamental different approach to the investigation of metal dusting is followed. A recently patented method  [3] developed for surface hardening of stainless steels is applied to “bypass” the incubation time. With this method the Fe‐ based  and  Ni‐based  alloys  are  attacked  homogeneously  in  a  strongly  accelerated  way,  dramatically  facilitating  the  investigations of the catastrophic carburizing process.    [1] Grabke, H.J.; Materials and Corrosion, 49, no. 5, p. 303, (1998)  [2] Szakálos, P.; Materials Science Forum, Vols. 522‐523, p. 571, (2006)  [3] Christiansen, T, Somers, M.A.J.; Carburizing in hydrocarbon gas, PCT/DK2006/000363      ………………  DSL119  Dr. N. Bouzroura  Laboratoire ‘’Solutions solides’’, Faculté de Physique, USTHB  BP 32, El‐Alia, Bab‐ezzouar, Algiers, Algeria    

Influence of Small Amount Addition of Cd, Sn and Ge on the Kinetic of   Pre‐Precipitation Phase by Quenched Vacancies Diffusion of the Al‐Zn‐Mg and Cu‐Be  Alloys         Nour‐eddine  BOUZROURA1,a,Mouhydine KADIHANIFI1,b  1Laboratoire ‘’Solutions solides’’, Faculté de Physique, USTHB  BP 32, El‐Alia, Bab‐ezzouar, Algiers, Algeria  Fax: 21321247344  [email protected], [email protected]    Keywords:  GP zones, Al‐Zn‐Mg, Cu‐Be‐Cd, vacancies    The influence of Cd and Ge on the kinetic of the GP zones formation has been studied for Al‐7%Zn3%Mg0.05%Cd(0.05%Sn)  and  Cu‐2%Be0.3%Cd(0.3%Ge).  Their  volumic  fraction  f(t)  is  determined  by  using  microhardnesss  method  showing  the  influence of t time of ageing at 80 an 200 C respectively for Al‐Zn‐Mg‐Cd(Sn) and Cu‐Be‐Cd(Ge). The results obtained show  that the addition of Cd and Sn atoms cause, respectively a delay in the GP formation of Al‐Zn‐Mg alloy and an acceleration of  the kinetic of GP formation in Cu‐Be‐Cd. The interpretation of these results is based on the predominant interaction between  Cd and Sn atoms with the high concentration quenched vacancies diffusion in these study copper alloys.       ………………  VIP‐DSL024  Prof. Odila Florencio  UFSCar, Brazil 

 

Diffusion Phenomena of the Oxygen and Nitrogen in Niobium   by Mechanical Spectroscopy  O. Florêncio1, P.S. Silva Jr1, C.R. Grandini2   1Federal University of São Carlos, São Carlos, São Paulo, CEP13565‐905, BR. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

53

2São Paulo State University, Bauru, São Paulo, CEP17033‐360, BR.    The short‐range diffusion phenomena (Snoek Effect) was investigated by mechanical spectroscopy measurements between  300K and 650K, in the polycrystalline niobium sample, containing oxygen and nitrogen, using a torsion pendulum operating in  frequencies at the hertz bandwidth, with heating rate of 1K/min and pressure about   2x10‐5mbar. Experimental spectra of  anelastic relaxation were obtained under three conditions: as received sample; annealed sample and subsequently annealed  in  an  oxygen  atmosphere  for  three  hours  at  1170K  in  partial  pressure  of  5x10‐5mbar.  The  experimental  spectra  obtained  were decomposed by the successive subtraction method in elementary Debye peaks, the anelastic relaxation processes were  identified, and the parameters were obtained.   With these  relaxation  parameters obtained and  the  lattice  parameters,  the  interstitial diffusion  coefficients  of the  oxygen  and  nitrogen in niobium were calculated for each kind  of preferential  occupation  (octahedral and tetrahedral). The  results  were  compared  with  the  literature  data  [1,2],  and  confirmed  that  the  best  adjustment  is  for  the  preferential  occupation  octahedral  model  for  low  concentrations  of  interstitial  solutes,  but  at  higher  concentration  of  oxygen  were  observed  deviations  of  experimental  data  for  the  interstitial  diffusion  coefficients  of  oxygen  in  niobium  when  compared  with  the  literature data, this could be related to the possible occurrence of a double occupation of interstitial sites in niobium lattice  by oxygen interstitial.    [1]  E.  Fromm  in  Gase  und  Kohlenstoff  in  Metallen,  (eds.  E.  Fromm  and  E.  Gebhardt),  Berlin  Springer,  (1976).   [2] G. Hörz, et al., Gases and Carbon in Metals, Physics Data, (1980).      ………………  DSL359  Mr. Tomáš Dvorák   Institute of Materials and Machine Mechanics, SAS,   Račianska 75, 831 02 Bratislava, Slovakia   

Thermal Expansion of Advanced Materials   for High Temperature Fusion Applications  T. Dvorák  Institute of Materials and Machine Mechanics, SAS, Račianska 75, 831 02 Bratislava, SK    Tungsten (W) and copper (Cu) are materials suitable for production of metal matrix composites (MMC) that can be used in  specific high temperature applications [1]. Tungsten has the highest melting point and also high resistance to erosion [2] and  copper  is  a  ductile  and  very  high  conductive  material.  And  therefore  copper  /  tungsten  composites  (Cu/W  MMC)  can  be  applied  in  some  parts  of  fusion  reactor  structures  where  they  need  to  withstand  both  high  heat  flux  (20  MW/m2)  and  radiation damage. In the fusion reactor the MMC is planned to work in the high temperature environment (up to 600°C) for a  longer time.    In the paper two different technologies for preparation of the composite are presented: vacuum diffusion bonding and gas  pressure infiltration. Samples contained different volume fractions of tungsten fibres (from 10% to 78%) that were arranged  in unidirectional, cross‐ply and circular architecture.  The coefficient of thermal expansion (CTE) of Cu/W MMC samples was measured in the longitudinal and transverse direction  to  the  fibre  orientation and  it  strongly depended  on  arrangement  of reinforcing  phase and  direction of  measurement. For  unidirectional material it was 4 ‐ 6 ppm.K‐1 and 11‐12 ppm.K‐1 in directions parallel and transverse to the fibre orientation,  respectively.   Special  samples  in  a  shape  of  discs  and  tubes  contained  reinforcement  that  was  wound  around  the  sample  centre  (circumferential winding) or was cut‐out from the Cu/W MMC plate. In the second case the reinforced fibres had the cross‐ ply  arrangement.  The  CTE  of  tubes  and  discs  measured  in  radial  direction  showed  values  from  5  ppm/K  to  20  ppm/K  for  composites containing 72 and 10 vol. % of W‐fibres, respectively (circumferential fibre orientation). Samples reinforced with  the W‐mesh laid normally to the tube axis showed the CTE slightly smaller (4.5 – 7 ppm/K) (cross‐ply fibre orientation).      [1] J. Koráb et al:.Abstracts books: International Conference Matrib (2008)  [2] Y. Nemoto et al., J. of Nuclear Materials, Vol. 283‐287, 1144 (2000)   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

54

  ………………  DSL020  Prof. Jaromir Drapala  Department of Non‐ferrous Metals, Refining and Recycling  Institute of Mining and Metallurgy ‐ Technical University of Ostrava  Av. 17. listopadu 15  708 33 Ostrava ‐ Poruba  CZECH REPUBLIC      

The Study of Reactive Diffusion in the Presence of the Dissolution of Copper   in the Melt of Solders  P. Kubíček1, J. Drápala2  1Na Čtvrti 14, 700 30 Ostrava‐Hrabůvka, Czech Republic  2 Vysoká škola báňská – Technical University of Ostrava; Faculty of Metallurgy and Materials Engineering; 15, Av. 17.  listopadu, 708 33 Ostrava – Poruba, Czech Republic    In this work we give heed especially to the dominating process, which is the solid metal A dissolving in the melt B. During the  dissolving the melt B saturates with the metal A and the process is influenced by convections which are characteristic for the  given  experimental  configuration.  A  theoretical  description  of  the  kinetics  of  the  solid  phase  dissolving  in  melt  will  be  presented for the case of planar dissolving which can be realized e.g. in capillaries. Cylinders of the solid metal A are placed in  capillaries  and  a  column  of  the  melt  B  is  put  above  them.  The  aim  is  to  derive  a  relation  for  the  interface  boundary  c(t)  movement  in  dependence  on  time  and  a  time  course  of  growth  of  the  element  A  concentration  in  the  melt  B.  There  are  problems with accurate determination of the interface boundary movement after certain heating times of specimens, when  it is observed experimentally, since intermetallic phase create in the original A metal at both the diffusion and cooling and  some phases segregate at the solidifying melt cooling. This results in inaccurate determination of the interface boundary at  the end of experiment and thus in inaccurate determination of the rate constant of dissolving at the given temperature of  experiment. The rate constant is a fundamental parameter characterizing the dissolving rate at a certain configuration. We  will present a theoretical description of dissolving of a long metallic cylinder submerged into a melt column and relations for  the rate constant determination from the time of the whole metallic cylinder dissolution are derived. In our experiments we  performed the Cu dissolving in the Sn melt for the Cu cylinder (wire) diameters 0.8÷2 mm and the rate constant Ko (T = 600  °C) was determined. Relationships between the solid phase dissolving rate, i.e. the solid phase interface boundary movement  c(t) in the melt, and rates of growth of intermetallic phases in the metal A will be observed. This procedure enables to create  surface and subsurface layers of regulated thickness in metallic materials by means of reactive diffusion.      ………………  DSL081  Dr. Sujay Chakravarty  Institute of Metallurgy,  Clausthal University of Technology,  Robert‐Koch‐Str. 42,   D‐38678 Clausthal‐Zellerfeld,   Germany   

Study of Self‐Diffusion in Nanocrystalline Iron Thin Films   Using Neutron Reflectivity  S. Chakravarty1, M. Horisberger2, J. Stahn2, H. Schmidt1  1Institute of Metallurgy, Clausthal University of Technology, Robert‐Koch‐Str. 42, D‐38678 Clausthal‐Zellerfeld, Germany.  2Laboratory for Neutron Scattering, ETH Zürich & Paul Scherrer Institut, CH‐5232 Villigen PSI, Switzerland    Neutron reflectometry has the advantage over other methods of diffusivity determination, that diffusion lengths in the order  of 1 nm and below can be determined. This enables diffusion experiments in a stable nanostructure, which is not modified by  grain  growth  during  annealing.  In  the  present  paper  neutron  reflectivity  has  been  used  to  study  self‐diffusion  in  nanocrystalline  iron  thin  films.  For  diffusion  studies,  isotopically  modulated  periodic  multilayers  of  the  form  Si/  [natFe(7  nm)/57Fe(3 nm)]20 were deposited using ion beam sputtering. A Bragg peak appears in the neutron reflectivity pattern of 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

55

the multilayers due to a scattering contrast between natFe and 57Fe. This scattering contrast will be reduced due to isotope  interdiffusion,  which  results  in  a  decay  in  the  height  of  the  Bragg  peak.  From  this  decay  diffusion  length  and  diffusivity  is  calculated.  Bulk  self‐diffusivities  in  nanocrystalline  iron  has  been  measured  as  a  function  of  time  in  a  temperature  range  between 583 and 783 K. The determined diffusivities are strongly time depended and decrease by more than two orders of  magnitude  during  isothermal  annealing.    In  early  stages,  diffusion  is  dominated  by  structural  point  defects  (interstitials  or  vacancies)  present  after  deposition.  The  decrease  in  diffusivity  is  attributed  to  the  annihilation  of  excess  structural  point  defects  apart  from  thermal  defects  present  in  the  system.  It  has  been  observed  that  for  very  long  annealing  times  the  diffusivities above 673 K are in good accordance with volume diffusivities on single crystals given in literature. However, at  temperatures below 673 K the diffusivities are higher than extrapolated literature data, even after annealing for 8 days. It is  expected that at lower temperatures the excess defects are still present in considerable amounts.       ………………  DSL161  Dr. Mohsen Haddad‐Sabzevar  Department of metallurgy and Material Engineering,   Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad,  Mashhad, Iran   

Thermal Properties and Crystallization Behavior of Co67Fe4Cr7Si8B14 Amorphous Alloy  M. Haddad‐Sabzevar , S.Sahebian2, Z.Jamili3  Department of metallurgy and Material Engineering, Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.    In  order  to  investigate  the  crystallization  behavior  of  the  amorphous  metallic  alloys,  the  amorphous  ribbons  of  Co67Fe4Cr7Si8B14  alloy  were  prepared  by  planar  flow  melt  spinning  process  (PFMS).  Differential  Scanning  Calorimetery  (DSC) was used to analyze the thermal and crystallization behavior of the amorphous samples at two heating rates of 10 and  30 ◦C/min.  The crystallization occurs at two stages. The crystallization kinetic at first stage was done by direct fitting of the  experimental data to Avrami model. The results showed that the crystallization exothermic became wider and shifted toward  a higher temperature range when the heating rate increased. The Avrami exponent (n) is independent of the heating rate,  implying the same transformation mechanism as well. Activation energy was determined as 367.6 Kj/g by Kissinger analysis.    Keywords: crystallization kinetics, Co amorphous alloy, DSC.    References:  [1]. J.D. Bernal, Nature 185, 68 (1960).  [2]. S. Takayma, J. Mater.Sci. 11, 164(1960).  [3]. P. Duwz, R.H.Willens, Klement, J. Appl.Phys. 31, 1136 (1960).  [4]. N.J.Grant, B.C.Gissen (EDS.), Quenched Metals, MIT Press, (1976).  [5]. M.G. Scott, In: F.E. Luborsky (Ed.), Amorphous Metallic Alloys, Butterworths, London, 144(1983).  [6]. S. Lesz, R. Nowosielski, A. Zajdel, B. Kostrubiec, Z. Stoklosa, , International Scientific Journal, 28,91.  [7]. H.F. Li, R.V.Ramanujan, Materials Science And Engineering A, 375‐377, 1087 (2004).  [8]. H. Beck, H.J.Guntherodt (Eds.) Glassy Metals Ii, Atomic Structure And Dynamic , Electronic Structure, Magnetic  Properties, (1983).  [9]. S.R. Nagel, J. Tanc, Solid State Commun. 21, 129(1977).  [10]. M. Haddad‐Sabzevar, Ribbon formation and solidification behaviour in the planar flow melt spinning process, Ph.D.  thesis, KTH, Stockholm, Sweden, (1994).  [11]. S.D.Kalushkin, I.A.Tomilin, Thermochim. Acta 280‐281, 303(1996).  [12]. M. Joshi, B. S. Butala, Polymer 45, 4953 (2004).   [13]. M. Avrami, Journal of Chemical Physics, 9 177 (1941).  [14]. H.E.Kissinger, Anal. Chem. 29, 1702(1957).      ………………  DSL307  Prof. Natalia Belousova   Siberian Federal University,  Russia 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

56

 

Effect of Prehistory of Bi‐Sn Melts on the Kinetics of their Oxidation  N.V. Belousova, E.O. Arkhipova  Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia  The purpose of this work was to study kinetics of oxidation of Bi‐Sn melts at the temperature of 973 and 1173 K by the high‐ temperature gravimetry method.     Previously  bismuth  was  alloyed  with  Sn  in  the  argon  atmosphere  and  the  prepared  alloys  were  cooled  to  the  room  temperature.  The  time  lapse  to  the  beginning  of  oxidation  experiments  was  varied  from  1  to  20  days.  After  that  samples  were heated in the oven to the given temperature in the argon. The melts were oxidized in the air.   The results of analysis show that the dependence of oxidation rate on the content of tin in the initial melt is complicated in  form  and  the  kinetics  of  this  process  is  described  by  different  laws.  The  alloys  with  10,  20  and  40  at.%  of  Sn  oxidize  by  parabolic oxidation law and so the process is limited by the diffusion of components through the scale. The melts containing  more than 50 at. % of Sn oxidize by linear law. The most intricate dependence of weight increment on time was established  in studies of the oxidation of 70 at. % Bi – 30 at. % Sn melts. The kinetics of this process is characterized neither parabolic law  nor linear one. It was found that the oxidation features of these samples were determined  by their prehistory. After long‐ term keeping of alloys at room temperature, the oxidation of melts was accompanied by the growth of the scales in the form  of “tree” and its rate was much more than in other cases. It can be explained by the bursting of the compact oxide layer and  by the oxidation of metal going up on the surface through the crack. Makeup melts oxidized without forming “trees”.  It was established that the “tree” formed at 973 K was enriched in its upper part with bismuth oxide and Bi2Sn2O7; the lower  part contained more than 50 mass. % of tin oxide, some quantity of metal bismuth, tin and also Bi2O3 and Bi2Sn2O7. The  “tree” grown at 1173 K was the same in qualitative composition but the quantity of phase was different: in this case the main  compound in both parts was Bi2Sn2O7.      ………………  DSL341  Prof. Osamu Taguchi   School of Nano and Advanced Materials Engineering,  Changwon National University, Gyeongnam 641‐773,   Korea 

 

Reaction Diffusion in Pb Free Solder‐Cu System

O. Taguchi1,2, C.G. Lee2 , D.Y. Park2*, G.S. Shin2* and S. Suzuki1   Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, Sendai 980‐8577, Japan.  2  School of Nano and Advanced Materials Engineering, Changwon National University, Gyeongnam 641‐773, Korea.  2* Student,  School of Nano and Advanced Materials Engineering, Changwon National University, Gyeongnam 641‐773, Korea.  1

  Reaction diffusions in liquid Pb free solder- and solid Pb free solder- pure Cu systems have been investigated in the temperature range between 397 K and 563 K. The Pb-free solder of which composition is 95.7 mass% Sn, 2.8 mass% Ag, 1.0 mass% Bi and 0.5 mass% Cu and 99.99 mass% oxygen free Cu have been used. In the liquid Pb free solder-pure Cu system, as soon as the solder melt down, an intermetallic compound η phase has formed preferentially, and grown with increasing diffusion time. The interface between the η phase and the liquid solder is very irregular. Layer thickness of the η phase is obeyed the parabolic law. On the other hand, in the solid Pb free solder-pure Cu system two intermatallic compounds ε phase and η’ phase have been formed and grown with increasing time. Layer thickness of these intermetallic compounds have been obeyed the parabolic law. The growth rate of η’ phase is greater than that of ε phase.The growth kinetics of the intermetallic compounds and the diffusion behavior will be discussed.     ………………  DSL363  Dr. Kozo Shinoda  Tohoku University, Sendai 980‐8577,   Japan 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

57

 

Depth Resolved and Elemental Selective XRF and XAS in Surface Layer of Annealed Fe‐ Cr Alloys  K. Shinoda1, S. Sato1, S. Suzuki1, H. Toyokawa2, H. Tanida2, T. Uruga2  1Tohoku University, Sendai 980‐8577, Japan.  2SPring‐8, Sayo, Hyogo 679‐5198, Japan.    Cr in Fe‐Cr alloys often forms some different phase of oxides during annealing at high temperatures. The phases of Cr oxides  are determined depending on the annealing condition such as temperature and oxygen partial pressure. In this study, depth‐ resolved X‐ray fluorescence analysis (XRF) of Fe and  Cr were carried out using a two‐dimensional pixel array detector with  geometrical  arrangement  of  grazing  exit  in  detection  of  fluorescence  X‐ray  emitted  from  sample  surface,  in  order  to  characterize  the  depth‐directional  distribution  of  the  elements  in  the  surface  layers  of  Fe‐Cr  alloys  annealed  under  low  oxygen partial pressure. In addition, depth‐resolved X‐ray absorption spectra will be also able to be obtained by measuring  the  incident  X‐ray  energetic  dependencies  of  the  fluorescence  intensity.  These  techniques  facilitate  non‐destructive  measurement  of  the  elemental  distribution  and  the  phase  of  metal  or  oxides  in  depth  direction.  The  experiments  were  performed at BL01B1 of SPring‐8 synchrotron radiation facility. The results showed that Cr was enriched and covered on the  surface of the alloys during annealing and formed as Cr2O3 or FeCr2O4. The phase and thickness of formed oxides depended  on the alloy composition and the annealing conditions.       ………………  DSL426  Prof. Hiroshi Yukawa   Department of Materials Science and Engineering,   Nagoya University,   Japan 

 

Alloying effects on the hydrogen diffusivity during hydrogen permeation through Nb‐ based hydrogen permeable membranes  H. Yukawa1, G.Z. Zhang1, M.Morinaga 1, T.Nambu 2, Y.Matsumoto 3  1  Department of Materials Science and Engineering, Nagoya University, Japan.  2  Department of Materials Science and Engineering, Suzuka National College of Technology, Japan.   3  Department of Mechanical Engineering, Oita National College of Technology, Japan.  The  hydrogen  solubility  and  the  hydrogen  permeability  of  Nb‐based  hydrogen  permeable  membranes  are  investigated  in  order  to  examine  the  alloying  effects  on  the  hydrogen  diffusion  coefficients  during  the  hydrogen  permeation  under  the  practical  condition.  The  hydrogen  diffusion  coefficient  during  the  hydrogen  permeation  are  evaluated  from  a  linear  relationship  between  the  normalized  hydrogen  flux,  J ⋅ d ,  and  the  hydrogen  concentration  difference,  C,  which  are  estimated  form the  PCT  measurements,  between  the  inlet  and  outlet  sides  of  the  membrane  with  the thickness  of  d. It is  found that the hydrogen diffusion is found to be faster in Pd‐Ag alloy with face‐centered cubic (fcc) crystal structure than in  pure  niobium  with  body‐centered  cubic  (bcc)  crystal  structure  at  773K  under  the  practical  condition  of  the  hydrogen  permeation. It is also found that the addition of Ru or W into niobium increases the hydrogen diffusion coefficient during the  hydrogen permeation.        

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

58

        Fig.1 shows the Arrhenius plots of the hydrogen diffusion coefficient for pure Nb, Nb‐5mol%Ru and Nb‐5mol%W alloys under  the  practical  condition  of  the  hydrogen  permeation.  It  is  shown  that 

the 

-8

10

                        ………………  DSL460  Prof. CHEOL‐WOONG YANG   School of Advanced Materials Science & Engineering,  Sungkyunkwan University, Suwon 440‐746,   Korea   

2

Diffusion coefficient, D / m s

it decreases by the addition of Ru or W into niobium.  

but  -1

activation energy for hydrogen diffusion in pure niobium is very large 

Nb-5Ru

-9

10

Nb-5W Sample Pure Nb Nb-5W Nb-5Ru

Activation Energy 99 kJ/mol 78 kJ/mol 58 kJ/mol

Pure Nb

10Fig.1  Arrhenius  plots  of  1.2 diffusion  coefficient  1.4 and 

the  hydrogen  1.6 the  activation  -1 1000/T /K energy  for  hydroten  diffusion  under  the  practical  conditions  of  hydrogen  permeation.  -10

Phase formation between Pb‐free solder and electroless Ni‐P UBM  H.B. Kang, J.H. Bae, J.W. Lee, M.H. Park, C.W. Yang   School of Advanced Materials Science & Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon 440‐746, Korea    In flip chip interconnections using a solder bump, under bump metallization (UBM) is desirable because the solder cannot be  bonded  directly  to  the  Cu  pads.  Of  the  many  different  UBM  systems,  electroless  Ni‐P  (EN‐P)  has  attracted  considerable  attention  for  flip  chip  bumping  technology  on  account  of  its  simple  process  and  low  cost.  In  the  case  of  the  interfacial  reaction in Pb‐free solder/EN‐P system, the additional reaction layers (ternary Ni‐Sn‐P and P‐rich Ni layer) can be formed at  Pb‐free  solder/EN‐P  interface.  These  additional  layers  can  strongly  affect  the  mechanical  reliability  of  the  Pb‐free  solder  joints.  Therefore,  it  is  essential  to  understand  the  formation  and  stability  of  the  additional  layers  during  reflow  and  aging  processes.  This study examined the additional reaction layers in Pb‐free solder/EN‐P UBM system using analytical transmission electron  microscopy  (AEM).  AEM  confirmed  that  the  additional  reaction  layers  do  not  consist  of  a  single  phase  but  are  rather  composed of two or three phases. After reflow process, the P‐rich Ni layer is composed of various Ni‐P phases (Ni3P, Ni12P5  and  Ni2P)  and Ni,  while the  ternary  layer  is a  mixture  of Ni2SnP  and  Ni3P.  The stable Ni3P  phase  had  formed  at  both the  ternary and P‐rich Ni layers. During aging process, several meta‐stable Ni‐P phases in P‐rich Ni layer change into Ni3P phase  because it is the more stable phase in the Ni‐P system.     [1] K, Zeng and K.N. Tu, Mater. Sci. Eng. R. 38, 55 (2002).   [2] V. Vuorinen, T. Laurila, H. Yu and J.K. Kivilahti, J. Appl. Phys. 99, 023530 (2006).       ………………  DSL230  Mr.  Kyeong‐II Kim 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

59

Chungju National University,  Korea   

Evaluations of Hydrogen permeation on TiN‐20wt.%Co Membrane   by Hot Press Sintering  Kyeong‐Il Kim1, Whan‐Gi Kim2, Soon‐Chul Ur1 and Tae‐Whan Hong1   1Department of Materials Science and Engineering/Research Center for Sustainable Eco‐Devices and Materials(ReSEM),  Chungju National University, 72 Daehak‐ro, Chungju‐si, Chungbuk 380‐702, Republic of Korea  2Department of Applied Chemistry, Konkuku University, 322 Danwol‐dong, Chungju‐si, Chungbuk 380‐701, Republic of Korea     Nowadays, the most promising methods  for  high  purity  hydrogen production are  membranes  separation such as  polymer,  metal, ceramic and composites. It is well known that Pd and Pd‐alloys membranes have excellent properties for the hydrogen  separation. However, it has hydrogen embrittlement and high cost for a practical applications. Therefore, most of scientists  have searched new materials instead of Pd and Pd‐alloys. On the other hand, TiN powders are great in resistance to acids and  chemically steady under high operating temperature. In order to get specimens for hydrogen permeation, the TiN powders  synthesized were consolidated together with pure Co powders by hot press sintering. During the consolidation of powderss  at  HPS,  heating  rate  was  10K/min  and  the  pressure  was  10MPa.  It  was  characterized  by  XRD,  SEM,  and  BET.  Also,  we  estimated hydrogen permeability by Sievert's type hydrogen permeation membrane equipment.     [1] E. Serra, E. Rigal, G. Benamati, Fusion Engineering and Design, 675‐679, 49‐50 (2000)  [2] Barbara Ernst, Stephane Haag, Michel Burgard, J. Membrane Science, 208‐217, 288 (2007).   [3] M.D. Dolan, N.C. Dave, A.Y. Ilyushechkin, L.D. Morpeth, K.G. McLennan, J. Membrane Science, 30‐55, 285(2006).      ………………  DSL202  Mrs. Divya V.D.  Department of Materials Engineering,   Indian Institute of Science,   Bangalore – 560012,   India 

 

Interdiffusion studies in Co‐Mo system  V.D. Divya, U. Ramamurty and A. Paul  Department of Materials Engineering, Indian Institute of Science, Bangalore – 560012, India    The  study  on  the  formation  and  growth  of  topological  closed  packed  (TCP)  compounds  is  important  to  understand  the  performance of turbine blades in jet engine applications. These deleterious phases grow mainly by diffusion process in the  superalloy substrate and interdiffusion zone between substrate and bond coat. The major element Co and minor element Mo  promotes  the  formation  of  m  phase.  In  this  study,  growth  kinetics  and  different  diffusion  parameters,  like  interdiffusion,  intrinsic and tracer diffusion coefficients are calculated in the m phase in the Co‐Mo system. Further the activation energy,  which provides the idea about the mechanism, is determined.       ………………  DSL315  Mr. Dmitry Leonov  Technical Centre, N.A.S. of Ukraine,  13 Pokrovs’ka Str., UA‐03070 Kyiv,  Ukraine   

Kinetics Parameters of Atomіc Migration and Diffuse Scattering   of Radiations within the (Ti, W)B2 Alloys  D.S. Leonov1,a, V.A. Tatarenko2,c M.P. Semenko3,b, O.V. Sobol4, and Yu.A. Kunitsky1  1Technical Centre, N.A.S. of Ukraine, 13 Pokrovs’ka Str., UA‐03070 Kyiv, Ukraine 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

60

2Department of Solid State Theory, G.V. Kurdyumov Institute for Metal Physics, N.A.S. of Ukraine,  36 Academician Vernadsky Boulevard, UA‐03680 Kyiv‐142, Ukraine  3National Taras Shevchenko university of Kyiv 64 Volodymurska Str., UA‐01033 Kyiv, Ukraine  4Kharkov State Polytechnical University, 21 Frunze Str., UA‐61002 Kharkov, Ukraine  [email protected], [email protected], [email protected]    Keywords: short‐range order, ordering kinetics, electrical resistance, diffuse scattering.    Abstract. Relaxation of diffuse‐scattering intensities of various kinds of waves is a phenomenon of especial interest since its  study enables one to obtain the most detailed information on both equilibrium SRO and nonequilibrium SRO, and therefore,  it is the most convenient instrument for investigating SRO kinetics.  The  short‐range  order  kinetics  is  studied  by  the  use  of  obtained  data  of  measurements  of  electrical  resistivity  for  substitutional (Ti,W)B2 [1] solid solutions during the isothermal annealing. Within the framework of the first‐order and (more  realistic) second‐order kinetics models, the maximum characteristic relaxation times and equilibrium values of the residual  electrical resistivity for these solid solutions at different annealing (619–638 K) and quenching temperatures are evaluated on  a base of experimental data.  The maximum characteristic relaxation times for diffuse scattering of radiations in these solid solutions are obtained within  the framework of hypothesis about  identity  of  maximum  characteristic relaxation  times of  radiation diffuse scattering and  electrical resistance. The curves of time dependence of normalized radiation diffuse‐scattering intensity corresponding to the  wave‐vector  star,  which  dominates  in  a  mapping  structure  of  the  short‐range  order,  at  different  quenching  and  annealing  temperatures are also obtained for (Ti,W)B2 solid solutions [2].    References  [1]  A. P. Shpak, O. V. Sobol, V. A. Tatarenko et al.: Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 30, No. 3: 285–295 (2008).  [2] A.G. Khachaturyan: Theory of Structural Transformations in Solids (Wiley, New York 1983).      ……………… 

DSL056  Mr. Arash Rezaei   

Investigation of Dynamic Recrystallization in an Al‐Li‐Cu‐Zr(‐Mg) Alloy  A. Rezaei1,a S. Ahmadi2, , A. Shokuhfar3  a [email protected]  1‐ Graduated in Master of Science in metallurgy, K. N. Toosi University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering,  Department of Material Science, Tehran. Iran  2‐ Ph.D student, Tarbiat Modares University, Faculty of Engineering, Division of Material Science, Tehran. Iran  3‐ Professor, K. N. Toosi University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Material Science,  Tehran. Iran    In  this  investigation,  dynamic  recrystallization  phenomenon  (DRP)  of  an  Al‐Li‐Cu‐Mg‐Zr  alloy  was  studied  in  two  temperatures,  350°C  and  400°C.  Wedge  samples  were  subjected  to  hot  rolling  deformation  in  both  temperature  and  one  passes. For wedge specimens, reduction up to 70% was considered. Results showed that grain size of the specimens after hot  rolling decreases from 100μm to 30μm because of DRP. Furthermore, it is observed that critical reduction for starting DR at  400°C is 40% and at 350°C reduction must increase to 50%.    Keyword: dynamic recrystallization, critical reduction, hot rolling, microstructure      ………………  DSL215  Mr. NitinTanaji Kumbhar  Materials Science Division,   Bhabha Atomic Research Centre,  Mumbai ‐ 400 085, India   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

61

Interdiffusion and Interface Structure in AA 6061/AA 5052 Friction   Stir Welded Joints  N. T. Kumbhar and K. Bhanumurthy  Materials Science Division, Bhabha Atomic Research Centre, Mumbai – 400 019, India    Friction Stir Welding (FSW) is a solid state joining process in which weld is made by a rotating, non‐reactive tool through the  constrained mating surfaces of a joint. Extensive work is reported for joining high quality joints of Al alloys, Mg alloys, and Cu  alloys. In addition, considerable progress has been made in modeling the deformation mechanism in the weld zone [1]. The  important  aspect  of  interdiffusion  at  the  welded  interface  is  not  extensively  studied  [2].  The  study  of  diffusion  at  the  interface in similar alloys may involve local intermixing. Experimental determination of the diffusing species is not easy in this  case. In view of this, two Al alloys with nominal change of Mg and Si composition  but with nearly similar hot  deformation  characteristics were chosen for understanding the extent of interdiffusion at the interface.  Experimental work involved FSW of AA 6061/AA 5052 of 5 mm thick plates. In order to understand the flow behaviour and  extent of interdiffusion two types of FSW joints were made with nearly same heat inputs but in two different configuration i)  AA  6061/  AA  5052  (AA  6061  on  advancing  side)  ii)  AA  5052/  AA  6061  (AA  5052  on  advancing  side).  In  addition,  diffusion  couples between AA 5052 and AA 6061 were made and annealed for 7.2 ks in the temperature range 450 °C to 600 °C. The  interface structure was serrated on the top and bottom of the weld zone, but was nearly planar at the center. The extent of  interdiffusion at the centre of weld zone was analyzed by measuring the composition profiles of Mg, Si and Al electron probe  micro analyzer (EPMA). The interdiffusion distances in FSW species was attributed to in situ diffusion and local heating. An  attempt has been made to arrive at the diffusion coefficients using Hall’s method.  The experimental work presents details of microstructure and interdiffusion in FSW specimen and also attempts to compare  these interdiffusion distances with the diffusion couples by conventional methods.    [1] S. Mandal and K. Williamson, J. Materials Processing Technology, 174, 190, (2006).  [2] R. Ayer, H.W. Jin, R.R. Mueller, S. Ling and S. Ford, Scripta Materialia, 53, 1383, (2005).      ………………  DSL246  Dr. Min‐Su Han  Division of Marine Engineering, Mokpo Maritime University,   Mokpo City, Jeonnam 530‐729,   Korea   

The Investigation on Corrosion and Optimum Corrosion   Protection Potential   of STS 316L in seawater   M. S. Han, J. C. Park, Y. B. Woo, S. K. Jang, S. J. Kim  Division of Marine Engineering, Mokpo Maritime University, Mokpo City,   Jeonnam 530‐729, Korea    Austenitic stainless steels have problem such as pitting, intergranular corrosion and stress corrosion cracking, which causes  severe  damage  of  structure  in  spite  of  high  toughness  and  mechanical  strength[1‐3].  To  minimize  these  disadvantages  in  offshore  structures  demand  of  STS  316L  which  has  small  amount  of  C  and  has  Mo  is  increasing.  In  this  paper,  the  electrochemical  experiments  are  executed  to  evaluate  the  durability  at  various  protection  potentials  on  stress  corrosion  cracking  and  hydrogen  embrittlement  of  STS  316L  in  natural  sea  water  environment.  The  polarization  trend  for  STS  316L  shows the effects of concentration polarization due to dissolved oxygen reduction reaction and activation polarization due to  hydrogen  gas  generation.  The  turning  point  of  two  reactions  in  the  polarization  curve  presented  ‐0.92V(vs.  Ag/AgCl).  The  lowest  current  densities  in  the  potentostatic  test  and  non‐correded  surface  condition  of  specimens  by  SEM  analysis  presented  at  potentials  of  0  ~  ‐0.9V  and  0.4  ~  ‐0.9V,  respectively.  Synthetically,  the  optimum  corrosion  protection  range  without stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement is concluded with the potential range of ‐0.56 V ~ ‐0.92 V.    [1] S. J. Kim, M. S. Han, J. I. Kim, K. J. Kim, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 40(5), pp. 234‐240, (2007)  [2] S. J. Kim, J. Y. Ko, M. S. Han, Korean J. Chem. Eng., 23(6), pp. 1028‐1033, (2006)   [3] M. S. Han, S. C. Ko, S. K. Jang, S. J. Kim, Meters and Materials International, 14(2), pp. 203‐211, (2008)    

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

62

  ………………  DSL344  Mrs. Yuliya Khalimullina    

Electrode position of Lead Ions Under the Diffusion Kinetics Conditions  P.A. Arkhipov1, Yu.P. Zaikov1, V.V. Ashikhin2, Yu.R. Khalimullina2  1The Institute of High Temperature Electrochemistry, Ural Branch of Russian Academy of Science, S.  Kovalevskaya/Academicheskaya St, 22/20, 620219 Yekaterinburg, e‐mail: [email protected]  2Open Joint‐Stock Company ELECTROMED, Scientific Research Centre, Lenin St, 1, 624091, Verkhnyaya Pyshma     The cathode polarization processes taking place at the tungsten electrode surface were under investigation at temperature  range  450‐550  ºC.    The  electrode  was  placed  at  the  LiCl‐KCl  equimolar  molten  mixture  containing  lead  chloride  and  lead  oxide. The mechanism of lead ions electro‐reduction in chloride and oxide‐chloride melts was proposed.      Limiting diffusion current density of lead ions electro‐deposition was found to decrease with lead oxide addition. It is due  to Pb2OCl2 formation.  Bivalent lead diffusion coefficients in LiCl‐KCl‐PbCl2 melt were determined by chronopotentiometric  method. The analysis of the processes taking place on tungsten electrode at oxide‐chloride melts has been made.        ………………  DSL405  Dr. Prasad Tiwari  Post Irradiation Examination Division,   Bhabha Atomic Research Centre,   Mumbai‐40085, India   

Stress Induced Migration of Hydrogen in AISI 403 Steel  G.P.Tiwari. V.D.Alur and E.Ramadasan  Post Irradiation Examination Division, Bhabha Atomic Research Centre, Mumbai‐40085, India    The  paper  presents  the  hydrogen  concentration  profile  on  tensile  test  specimens  which  have  been  charged  electrolyticaly  with  hydrogen.  In  particular,  the  role  of  externally  applied  tensile  stress  in  enhancing  the  ingress  of  hydrogen  and  its  accumulation within the specimen is emphasized. A standard 8mm ASTM tensile specimen has been employed. One end of  the specimen is extended. This extended portion serves as a cathode during electrolytic charging. A platinum wire mesh is  used as anode. In order to facilitate the application of load during charging, the specimen is firmly held in a specially designed  fixture with  the  help  of  threads which  are  provided  on  either  ends  of the  gauge  section.  A  notch  is  provided in the gauge  section  to  create  a  stress  gradient.  At  the  end  of  charging,  3  mm  thick  disc  specimens  are  cut  from  the  specimen  and  analyzed for their hydrogen content using inert gas fusion technique. The main advantage of this charging procedure is that  test portion of the specimen does not come into contact with the electrolyte during charging. Hence, microstructural damage  to the specimen during the entry of high fugacity hydrogen in the matrix is avoided. Hydrogen reaches the test portion of the  specimen  via  diffusion  through  the  matrix.  An  analysis  of  the  results  brings  about  following  characteristic  features  of  hydrogen behavior during electrolytic charging in to the steel:  1. Presence of tensile stress enhances the rate of hydrogen within the matrix. Hydrogen displays high propensity to collect in  sections  of  the  specimens  which  have  been  under  tensile  load  during  electrolytic  charging.   2. In the absence of stress, diffusion down the concentration controls the hydrogen distribution within the specimen.  3. Surface area has an important role in the accumulation of hydrogen across any section in the specimen. If the available  surface area is more, local hydrogen concentration is enhanced.  The effect of external coating on the ingress of the hydrogen into the specimen has also been investigated. The sheathing of  the specimen with a 3 mm thick jacket of pure uranium caused a very significant change in the hydrogen concentration along  the entire length of the specimen. The concentration of hydrogen at some sections rose 8‐10 times higher than that obtained  in the absence of uranium sheathing. However, the presence of a 100 µm thick coating of titanium in the charging section of  the specimen did not cause any improvement in the hydrogen concentration of the specimen.       ………………  DSL499 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

63

Mr. M. Asadi  Materials Science and Engineering,  Kerman, Iran   

Film Formation via Plasma Electrolyte Oxidation of Ti and   Ti‐5Mo‐4V‐3Al Alloy in High Alkaline Solutions  M. Asadi*1, 2, Mehdi Attarchi1,3, M. Vahidifar1, 2 , A. Jafari1  1Materials Science and Engineering, Bahonar Kerman, Kerman, Iran  2Materials Science Department, Yazd Azad University, Yazd, Iran  3Materials and Energy Research Center, Tehran, Iran  *Corresponding Author    This work investigates the characteristics of oxide films formed on Ti and the Ti alloy through plasma electrolyte oxidation  (PEO)  process  in  highly  alkaline  medium  in  the  presence  or  absence  of  phosphate  ions.  The  obtained  coatings  showed  different  characteristics  when  they  formed  in  high  alkaline  phosphate  solutions  particularly  was  anatase  for  Ti  and  rutile/titanium phosphate for the Ti alloy layer. Films formed in aqueous solution without KOH caused a reduction in current  density and also reduced the number of  microarcs, while in electrolytes with high OH‐ concentration, the current was low  and the density of sparks was significant.    Keywords: Ti; Thick Films; Plasma Electrolytic Oxidation  ………………  VIP‐DSL033  Prof. Huseyin Cimenoglu   

An Investigation On Air Oxidation Behaviour of a Ti‐6Al‐7Nb Alloy  Mehtap Deniz Unlu, Onur Meydanoglu and Huseyin Cimenoglu*  Istanbul Technical University  Department of Metallurgy and Materials Engineering  34469 Maslak – Istanbul    Air  oxidation  behavior  of  a  Ti–6Al–7Nb  alloy  was  examined  over  the  temperature  range  of  600–900  ◦C  for  different  time  intervals ranging between 12 and 72 h. Results of the oxidation tests were evaluated according to the following equations;  ΔW/A= K.t 1/n  and K=K0 exp (‐Q/RT) where ΔW is the weight gain of the samples after oxidation (mg), A is the total surface  area of the samples (cm²), t is oxidation time (hour), n is the reaction index  (the kinetic model is linear if n =1 and parabolic if  n=2), K is the rate constant, Ko is the frequency factor, Q is the activation energy, R is the gas constant (8.3143 J/mol K) and T  is  reaction  temperature  (K).  Present  study  revealed  that  air  oxidation  of  Ti‐6Al‐7Nb  alloy  obeyed  parabolic  kinetics  in  between 600 and 900 ◦C, by yielding activation energy of 128 kJ/mol.    *Corresponding author:  Tel: +90‐212‐285‐6834  Fax: +90‐212‐285‐3427  E‐mail: [email protected]      ………………  VIP‐DSL028  Prof. Dezső L. Beke   

Composition and Pressure Dependence of the Self‐Diffusion   Coefficient in Liquid Metals  Dezső L. Beke  Department of Solid State Physics, Institute of Physics, University of Debrecen,  4010, Debrecen, P.O.Box.2, Hungary, [email protected]   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

64

First a minimum derivation of the temperature dependence of D is provided (minimum derivation in the sense that it states  only that the reduced (dimensionless) D should be a universal function of the reduced temperature) will be presented, using  the similarity of interatomic potentials and dimensional analysis  Then this relation will be extended for the determination of  the  pressure  and  composition  dependence  of  the  self‐diffusion  coefficients  by  the  use  of  pressure  and  composition  dependent scaling parameters (melting point, atomic volume and mass). The obtained universal form (valid for binary liquid  alloys)  is  very  useful  for  the  estimation  of  the  temperature,  composition  and  pressure  dependence  of  the  self‐diffusion  coefficients.         ………………  VIP‐DSL043  Prof. M. A. J. Somers 

  The Influence of Stress on Diffusion – Carbon Diffusion   Data in Austenite Revisited  Thomas L. Christiansen & Marcel A.J. Somers  Technical University of Denmark, Department of Mechanical Engineering,   Kemitorvet b. 204, DK‐2800 Kgs. Lyngby, Denmark    Generally,  in  interstitial  systems  concentration  variations  of  the  interstitial  component  induce  a  relatively  large  stress  variation  as  compared  to  substitutional  systems.  The  assessment  of  diffusion  data  from  interstitial  diffusion  experiments  under  the  influence  of  a  (steep)  concentration  gradient  will  inevitably  be  the  combined  influence  of  compositional  and  a  composition‐induced stress on the chemical potential gradient. Usually, the presence of (composition‐induced) stress is not  taken  into  consideration  on  the  determination  of  the  (composition‐dependent)  diffusivity  of  interstitials  from  experiments  involving a composition profile. Consequently, a vast number of published diffusion data on interstitial systems are likely to  be flawed by these composition induced stress effects.  The  present  paper  exemplifies  this  point  by  examining  the  influence  of  stress  on  published  diffusion  data  for  carbon  in  austenite  [1].  To  this  end  a  numerical  model  for  the  simulation  of  diffusion  controlled  concentration  profiles  in  austenite  under para‐equilibrium conditions with a gaseous atmosphere is adopted [2]. The simulated composition profiles resemble  those  in  Ref.1  and  are  evaluated  with  models  including  and  excluding  the  composition‐induced  stresses.  It  is  shown  that  neglecting  composition‐induced  stress  leads  to  erroneous  values  for  the  concentration‐dependent  diffusion  coefficient  of  carbon in austenite.  The simulations will be discussed in the light of existing diffusion data and implications for systems with colossal interstitial  solubility as in expanded austenite [3] will be pointed out.    [1] C. Wells, W. Batz, R.F. Mehl, Transactions AIME, 188 (1950) 553.  [2] T. Christiansen, K.V. Dahl, M.A.J. Somers, Materials Science and Technology 24(2) (2008) 159  [3] T.S. Hummelshøj, T.L. Christiansen, M.A.J. Somers, in preparation      ………………  VIP‐DSL000  Prof. Andreas Oechsner  Department of Applied Mechanics,   Technical University of Malaysia,  81310 UTM Skudai, Johor,   Malaysia   

On the Physics of Some Known Diffusion Anomalies in Metallic Systems    Yu.S. Nechaev1 and A. Öchsner2   1Kurdjumov Institute of Metals Science and Physics, Bardin Institute for Ferrous Metallurgy,Vtoraya Baumanskaya St., 9/23,  Moscow 105005, RUSSIA .   2Department of Applied Mechanics, Technical University of Malaysia,  81310 UTM Skudai, Johor, MALAYSIA.   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

65

In this contribution, some long‐term and recent open questions on mechanisms (physics) of a number of the known diffusion  anomalies in deforming, deformed, nano‐structured, amorphous and liquid‐solid metallic systems are considered. It includes  a  constructive  critical  analysis  and  re‐treatment  of  the  data  on:  1)  anomalies  of  diffusion  of  hydrogen  in  deformed,  nano‐ structured and amorphous Pd, Fe, steels, …; 2) anomalies of diffusion of Fe and other transition impurities in Al, particularly,  at grain boundaries; 3) anomalies of the tracer diffusion in nano‐structured metals and alloys (Ni in Cu, Ni, Fe, Ag in Ni‐Fe, …);  4) anomalies of diffusion processes in intensively deforming metals and alloys, particularly, in the ball milling ones (Ti‐Cr, Ni‐ Zr, Cr‐Zr, …); 5) anomalies of diffusion processes of internal oxidation and nitridation of Fe‐Cu and Ni‐Cr alloys, particularly,  the precipitate coarsening anomalies; 6) diffusion anomalies of the liquid‐metal deep etching of the grain boundary regions  in Cu‐Bi and others; 7) diffusion anomalies of the grain boundary faceting in Zn‐Al and others. The mechanisms (physics) of  these anomalous diffusion processes are considered on the basis of using the analytical results [1‐7].      ]1] Yu.S. Nechaev. Solid State Phenomena, 138, 91 (2008).   [2] Yu.S. Nechaev. Diffusion and Defect Forum, 251‐252, 111 (2006).  [3] Yu.S. Nechaev. Diffusion and Defect Forum, 251‐252, 123 (2006).   [4] Yu.S. Nechaev. Physics‐Uspekhi, 51, #7, 681 (2008).    [5] Yu.S. Nechaev and G.A. Filippov. Defect & Diffusion Forum, 194‐199, 1099 (2001).  [6] Yu.S. Nechaev. Izvestija Akademii Nauk, Serija Fizicheskaja (Transactions of the Russian Academy of Sciences, Physical  Series), 65, # 10,1399 (2001).  [7] Yu.S. Nechaev and A. Öchsner. Defect and Diffusion Forum, 283‐286, 545 (2009). 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

66

Diffusion in Amorphous Materials

DSL275 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

67

Dr. Kazumasa Yamada   Dept of Electrical and Electronic Engineering,  Hakodate National College of Technology,   Tokura‐cho 14‐1, Hakodate, 042‐8501,  Japan   

Structural relaxation process by addition of B in CuHfTi amorphous alloys  K. Yamada1, N. Miura1, A. Yamamoto1, I. A. Figueroa2, H. A. Davies2, I. Todd2   1Dept of Electrical and Electronic Engineering, Hakodate National College of Technology, Tokura‐cho 14‐1, Hakodate, 042‐ 8501, Japan.  2Dept of Engineering Materials, University of Sheffield, Sheffield S1 3JD, UK.    Cu  has  been  shown  to  be  good  base  element  for  bulk  glass‐forming  alloy  with  fully  glassy  sections  recently  by  using  die  injection  casting  [1].  Binary  Cu  ‐  (Zr  or  Hf)  alloys  have  been  found  to  form  an  amorphous  phase  over  a  wide  composition  range.  However, addition of Ti in both these binary systems greatly increased the glass forming ability (GFA), with the critical  diameter for fully amorphous rods being at least 4 mm for Cu60Zr30Ti10, Cu60Hf20Ti20 and Cu55Hf25Ti20 [1].  Meanwhile  the understanding  of the  structural relaxation process is essential in the development of stability for amorphous alloys, as  well as in establishing stable working temperature to avoid the degradation of strength.  The aim of this research is to clarify  a  quantitative  evaluation  in  the  structure  relaxation  processes  focusing  on  the  activation  energy  in  Cu  based  amorphous  alloys.  The specimens of amorphous Cu‐Hf‐Ti, Cu‐Hf‐Ti‐B (1% of B) and Cu‐Hf‐Ti‐B (3% of B) ribbon were prepared by liquid  quenching method with single‐roll spinner.  The endothermic heat that was released in relaxation process through annealing  time and temperature was measured using a Differential Scanning Calorimetry (DSC) [2].  Furthermore the distributions for  the Activation Energy Spectrum (AES) were observed almost energy range from 140 to 150 kJ/mol.  The main result has been  established that AES model energy distribution though the structure relaxation occurs even in amorphous Cu‐Hf‐Ti and Cu‐ Hf‐Ti‐B alloys.     [1] I. A. Figueroa, H. A. Davies, I. Todd and K. Yamada, Adv. Eng. Mater., 9, 496 (2007).   [2] K. Yamada, K. Fukamichi, Y. Iijima, Proc. Magneto‐Optical Recording Intl. Symp.  ‘97, J. Magn. Soc. Jpn., 22, Suppl.S2 97  (1998).      ………………  VIP‐DSL063  Prof. Dr. Nicola Bianco  Universita' degli Studi di Napoli Federico II,  Italy    

Numerical Investigation on Transient Conjugate Optical‐Thermal Fields in Thin Films  Irradiated by Moving Sources for Back and Front Treatments  N. Bianco1, O. Manca2, D. Ricci2  1DETEC, Università degli Studi Federico II, Piazzale Tecchio 80, 80125 Napoli, Italy  2DIAM, Seconda Università degli Studi di Napoli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy    Manufacturing of multilayer thin films deposited on glass substrate is accomplished by means of laser sources. The analysis  of  thermal  conductive  and  optical  distributions  is  of  paramount  importance  to  broaden  the  fields  of  applications  for  manufacturing, so computational investigations of laser interactions with single and multilayer thin films on a glass substrate  have  been  performed  [1,2].  The  heat  source  can  either  directly  impinge  the  film  surface  (front  treatment),  or  the  glass  substrate (back treatment). In this paper the bidimensional conjugate non‐linear thermal‐optical time dependent problem is  numerically  analyzed.  A  Nd‐Yag  laser  with  wavelength  of  1064  nm  and  Gaussian  beam  impinging  on  a  a‐Si/TCO/glass  multilayer structure have been considered. The Peclet number is the main non‐dimensional  parameter governing the heat  transfer  mechanism  in  the  system.  The  dimension  along  the  moving  direction  is  semi‐infinite  and  simulations  have  been  carried  out  by  means  of  COMSOL  Multiphysics  3.4  for  different  Pe  numbers  and  initial  position  of  beam  spot.  Results  are  presented in form of spatial and temporal temperature profiles as well as absorbed heat transfer rates inside the layers. The  accomplished analysis shows that the BT processes are more efficient in terms of manufacturing processes, oriented to the  production of photovoltaic cells. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

68

  References   [1] R.K. Shah, H.Md. Roshan, M.K. Sastri, and K.H. Padmanahan, Thermomechanical Aspect of Manufacturing and Material  Processing (1992).   [2] C.P. Grigoropoulos, Heat Transfer in Laser Processing of Thin Films, Annual Review of Heat Transfer, Vol. 5, Chap. 2, pp.  77‐130, C. L. Tien ed., CRC (1994).      ………………  VIP‐DSL011  Prof. A. N. Dmitriev   

Influence of Elements Oxides Microadditives with Major Cationic Radius on Properties  of Silicate Bundle  A.N. Dmitriev, V.P. Perepechaev, Yu.A. Chesnokov  Institute of Metallurgy of Ural Branch of Russian Academy of Sciences,  101 Amundsen st., Ekaterinburg, 620016, Russia    For the  agglomerates  of  the  Kachkanar deposit  iron  ore  the role  of elements with  major than  for magnesium  and calcium  ionic radius in the formation of the strength characteristics and parameters of the viscous‐plastic state of iron‐ore materials  is shown. The strength characteristics of high‐quality sinters are largely defined by the low stressed state of a silicate bundle  which  is  formed  in  the  cake  cooling‐down  period.  The  diffusion  processes  at  the  glasses  recrystallization  at  the  cakes  refrigeration  can  be  reduced  by  injection  of  the  elements  braking  these  processes  and  having  the  low  ¬strength  cation‐ oxygen  of  connections,  that,  apparently,  should  ¬  hinder  in  formation  of  the  crystals  with  their  participation.  From  these  positions the stabilizing additions are the cations of heavy elements having major radius and remote from the kern valence  electrons¬. It according to the theory of the stressed state of the oxide ¬ systems is accompanied by the grain refinement,  decrease of the microstresses ¬ and fissurings of the glass matrix and therefore the defectiveness of cake structure [1]. On  the  basis  of  the  mathematical  model  leaning  on  the  results  of  the  dilatometric  explorations  the  positive  influence  of  the  microadditives of the barium oxide on increase of temperature of beginning and narrowing of the softening range of sinters  is revealed.    [1] V.A. Gorbachev and S.V. Shavrin. Thermal microstresses in cakes. (Science, Moscow, 1982). 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

69

Mass Transport and Related Phenomena in Non‐ Metallic Materials

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

70

  DSL026  Dr. Harald Schmidt  Clausthal University of Technology  Institute of Metallurgy  Robert‐Koch‐Str. 42  38678 Clausthal‐Zellerfeld  Germany   

Self‐diffusion Studies on the Sub‐nanometre Scale using Neutron Reflectometry   E. Hüger, S. Chakravarty, H. Schmidt   Clausthal Univesrity of Technology, Clausthal‐Zellerfeld, Germany     We present the method of neutron reflectometry, which allows the detection of extremely small diffusion lengths below 1  nm at corresponding low self‐diffusivities down to 1 x 10‐25 m2/s [1‐3]. Such a combination of values cannot be achieved by  conventional methods of diffusivity determination, like the radiotracer method, secondary ion mass spectrometry or nuclear  magnetic resonance. With our method the extensive characterization of materials which are in a non‐equilibrium state, like  amorphous  or  nano‐crystalline  solids  becomes  possible.  Due  to  the  small  experimentally  accessible  diffusion  lengths  simultaneously occurring micro‐structural changes (grain growth and crystallization) can avoided during the actual diffusion  experiment.   Neutron reflectivity is measured for so‐called isotope multilayers, which are chemical homogeneous but isotope modulated  layers  (e.  g.  [natGe(20  nm)/71Ge(20  nm)]10).  These  structures  are  produced  by  magnetron  sputtering  or  molecular  beam  epitaxy  in  form  of  thin  films.  Due  to  the  different  coherent  neutron  scattering  lengths  of  the  stable  isotopes  Bragg  peaks  occur in the reflectivity spectrum. Due to interdiffusion of the isotopes after annealing at elevated temperatures the Bragg  peaks decay, where from diffusivities can be determined.  We will illustrate this technique for the model systems amorphous silicon (carbo‐)nitride, single crystalline germanium and  nano‐crystalline iron.     [1] H. Schmidt et al. Phys. Rev. Lett. 96 (2006), 055901.  [2] H. Schmidt et al. Acta Mater. 56 (2008),  464.  [3] E. Hüger, H. Schmidt et al., Appl. Phys. Lett 93 (2008), 162104.      ………………  VIP‐DSL040  Prof. P. S. Pizani  Universidade Federal de São Carlos‐UFSCar, BRAZIL   

Raman Scattering Studies of Non‐Hydrostatic Pressure‐Induced Phase Transitions and  Multiphase State Generation in Semiconductors  Paulo S. PIZANI1) and Renato G. JASINEVICIUS2)  1) Universidade Federal de São Carlos Departamento de Física Caixa Postal 676  13 565‐905 São Carlos, SP Brazil  E‐mail:[email protected]  2) Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos  Departamento de Engenharia Mecânica Caixa Postal 369  13 560‐000 São Carlos, SP Brazil  E‐mail:[email protected]   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

71

The application of high non‐hydrostatic pressure via Vickers microindentations, single point diamond turning and mechanical  impact  may  lead  to  structural  phase  transitions  and  to  the  generation  of  multiphase  state  of  elemental  and  compound  semiconductors. To characterize these effects in crystalline and amorphous Si, GaAs, GaSb and InSb, Raman scattering was  used  in  the  micro  Raman  configuration.  In  the  present  work  it  will  be  discussed  about  the  reversibility  of  these  pressure‐ induced  structural  phase  transitions.  In  silicon  for  example,  the  results  indicated  that  the  formation  of  multiple  phases  by  cyclic microindentations may depend even on the crystallographic direction and number of successive cycles. Starting from  amorphous  Si,  it  is  impossible  to  generate  other  phases,  indicating  the  irreversibility  of  this  transition.  For  all  studied  semiconductors,  the  high  non‐hydrostatic  pressure  applied  by  the  diamond  tool  tip  during  the  machining  process  in  the  ductile regime lead to the surface amorphization. The crystalline state of the worked surface can be recovered by thermal  annealing only in elemental semiconductors. For the compound semiconductors, the multiphase state was achieved only by  applying high energy mechanical impact, where the compression/decompression rate is about some tenths of microseconds.      ………………  VIP‐DSL055  Dr. Cornelia Breitkopf  Technische Universität München  Institute for Chemical Technology  Lichtenbergstr. 4  D‐85748 Garching, Germany   

Diffusion and Reaction in hierarchically structured metal   Oxides ‐ a transient TAP study  M. Galinsky1, M. Lutecki1, C.Breitkopf2   1University of Leipzig, Linnéstr. 3, 04103 L Leipzig, D.  2TU München, Lichtenbergstr. 4, 85747 Garching, D.    Porous  metal  oxides  are  highly  recognized  as  valuable  catalytic  materials.  Among  them,  sulfated  zirconias  (SZ)  have  found  several  applications  and  due  to  its  properties  it  is  a  promising  catalyst  system  for  a  variety  of  reactions  of  industrial  importance.  Especially  the  n‐butane  isomerization  proceeds  already  at  very  low  temperatures  on  SZ  making  it  to  an  interesting catalytic material compared to commercially used catalysts [1].   Regarding  the  improved  synthesis  available  today  for  catalyst  preparations  by  use  of  blockcopolymers  as  templates  and  structure  directing  agents  [2],  the  morphology  of  SZ  can  be  systematically  modified  over  the  whole  nanometer  scale.  However, there is no comparative study regarding the diffusion of reactants in these newly designed porous systems, which  may influence the microkinetics significantly.   In  this  study  a  transient  method  ‐  temporal  analysis  of  products  ‐  was  used  to  investigate  the  diffusion  of  several  probe  molecules including the reactant n‐butane in SZ materials of different pore size. The preparation of SZ with wide variations in  their  pore  sizes  is  described  in  [3].  Single  pulse  experiments  were  performed  to  characterize  (i)  diffusion  only  for  non‐ adsorbing  probes  like  Ne  or  N2  and  (ii)  diffusion  processes  with  additional  recognition  of  adsorption  and  desorption  for  probes like alkanes, alkenes and CO2. Knudsen diffusion coefficients for all probe molecules are modeled depending on the  porosity and are compared to those of the reactant n‐butane [4]. Moreover, temperature dependent measurements allowed  additionally the estimation of heats of adsorption [5].    [1] A. Chica, A. Corma, J. Catal., 187, 167, (1999).  [2] M. Lutecki, C. Breitkopf. Appl. Catal. A Gen. 352, 171, (2009).  [3] M. Lutecki, C. Breitkopf, submitted to Micropor. Mesopor. Mat..  [4] C. Breitkopf, M. Galinsky, Proceedings of 6th International Conference on Computational Heat and Mass Transfer, May  18–21, 2009, Guangzhou, China.  [5] C. Breitkopf, J. Mol. Catal. A: Chemical, 226, 269, (2005).      ………………  DSL113  Prof. Jan Ma 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

72

School of Materials Science and Engineering,   Nanyang Technological University   Singapore 639798   

Modeling of Densification of Nano‐sized Ceramic Materials   Jie Lu1 and Jan Ma1,2   1School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University Singapore 639798  2Temasek Laboratories, Nanyang Technological University Singapore 639798.    Nano‐sized  ceramic  materials  are  well  accepted  to  possess  good  mechanical  properties.    These  materials  are  normally  obtained by sintering of nano‐sized powders, however, there exists very limited reports on the constitutive modeling of the  process  using  nano‐sized  materials.    Classical  linear  governing  laws  have  been  well  reported  for  such  applications,  nevertheless, it has been recently noted that for sintering of submicron and smaller size powders, a linear relationship tends  to  over‐estimate  the  process.    In  the  present  work,  a  non‐linear  constitutive  relationship  is  proposed  for  the  sintering  of  nano‐sized  materials,  and  its  application  on  constrained  sintering  is  also  discussed.    Experimental  results  are  also  used  to  verify  the  models.    Mechanical  properties  of  a  thin  coat  of  nanomaterials  on  a  coarse  grained  substrate  are  also  characterized.      ………………  DSL214  Prof. Vladimir Skidanov  Institute for Design Problems in Microelectronics RAS  Moscow 124681  Russia 

  Fe Ions Diffusion in B‐Doped Czochralsky Silicon Crystal during Thermo‐Donors  Annealing Process  V.A. Skidanov  Institute for Design Problems in Microelectronics RAS, Moscow, Sovetskaja street 3, 124681, Russia.    Transient  metals  are  known  as  the  most  harmful  contaminants  in  silicon  microelectronics.  Silicon  bulk  contamination  is  provided at the early chip fabrication technology stage due to utilizing of Fe, Ni containing instrumentation at crystal cutting  process  and  successive  thermodonors  annealing.    Drastic  enhancement  of  optically  activated  Fe  ion  minority  carriers  recombination  capability  was  used  for  measurement  of  interstitial  Fe  ions  concentration  in  p‐type  Czochralsky  silicon  by  Surface Photo‐Voltage Technique (SPV) [1]. Two millimetres thick silicon slabs were contaminated artificially by Fe on one of  two surfaces. Then Fe diffusion from silicon surface into crystal bulk during thermo‐donors annealing (650 ºC, 30 min.) was  observed by two different methods. First method is Fe concentration normal to surface distribution measurement after one‐ time annealing process and successive silicon slab layer by layer chemical etching. The second method is observation of Fe  concentration evolution near both slab surfaces during multiple annealing processes. Fe concentration measurements were  made by SPV Technique after each etching or annealing step. Highly reproducible profiles of Fe ions distribution after one‐ time annealing were determined by first method with Fe penetration effective depth ~200 mcm. Gradual Fe concentration  reduction near preliminary contaminated surface and Fe concentration increase near opposite surface were observed during  multiple annealing processes. Fe concentrations near both surfaces become equal after approximately 10‐times annealing in  agreement with concentration profile depth obtained by first method. Broken layer was found to be effective source of Fe  contamination during annealing if it is made without lapping stage in modern wafer fabrication process.    [1] A.A. Istratov, H. Hieslmair, E.R. Weber, Appl. Phys. A 70, 489 (2000).       ………………  DSL257  Dr.  Djamshid Khatamian  Materials and Mechanics Branch,   AECL, Chalk River Laboratories, Stn. 55                  Chalk River, ON   K0J 1J0, CANADA  

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

73

 

Diffusion of Hydrogen in Single Crystals of  Monoclinic‐ZrO2 and Yttrium Stabilized Cubic Zirconia  D. Khatamian  AECL, Chalk River Laboratories, Chalk River, ON K0J 1J0, CANADA    In modern CANDU® power reactors, pressure tubes of cold‐worked Zr‐2.5Nb (Zr‐2.5 wt% Nb) material are used in the reactor  core to contain the fuel bundles and the heavy water (D2O) heat transport fluid. The microstructure of the tubes consists of  elongated α‐Zr grains surrounded by a network of β‐Zr with a composition of approximately Zr‐20 wt% Nb. During operation  an  oxide  layer  is  formed  on  the  inside  surface  of  the  pressure  tube  where  it  is  exposed  to  the  D2O  at  ‫׽‬300ºC.  A  simple  diffusion model for hydrogen ingress into the pressure tubes requires the hydrogen diffusion constants in the oxide layer as  well as the hydrogen concentrations at the coolant/oxide interface and at the oxide/metal interface.   Hydrogen diffusion in oxides has been studied by hydrogen implantation and 15N hydrogen depth profiling techniques. The  studies have shown that microstructure and microchemistry of the underlying alloy can affect the characteristics of the oxide  and in turn the transport of hydrogen through the oxide and into the underlying metal. In certain cases the oxide layer can be  a  homogeneous  medium  for  hydrogen  diffusion,  but  in  most  cases  it  is  found  to  be  heterogeneous  and  comprised  of  homogeneous,  nonporous  and  fully  oxidized,  cells  surrounded  by  a  network  of  fast  diffusion  paths  for  hydrogen.  Since  in  such  heterogeneous  systems  the  derived  diffusion  parameter  and  the  cell  size  are  interdependent,  an  absolute  diffusion  parameter  could  only  be  derived  if  the  cell  size  were  known.  However,  no  such  information  is  available  from  the  microstructural  studies  on  the  oxides  grown  on  these  alloys.  Another  alternative  is  to  carry  out  the  measurements  in  a  material, which would be homogeneous at least within the dimensions of a few μm ‐ the range of the measurements. With  in  mind,  the  hydrogen  diffusion  this  measurements  has  been  carried  out  in  a  set  of  single  crystal  zirconia  specimens  with  the  prospect  that  the  single  crystals  would  provide  a  non‐porous  and  homogeneous  medium  to  study  the  diffusivity  of  hydrogen.  The  results  from  the  single  crystal zirconia specimens will be discussed.   ®CANDU–CANada Deuterium Uranium is a registered trademark of Atomic Energy of Canada Ltd.      ………………  DSL310  Prof. Pawel Dluzewski   Computational Materials Science Group,  Institute of Fundamental Technological Research PAS,  ´Swie¸tokrzyska 21, 00‐049 Warsaw, poland   

Indium Clustering in InGaN/GaN Quantum Wells:   Thermodynamics and Finite Element Modelling  Paweł Dłu˙zewski and Grzegorz Jurczak  Computational Materials Science Group,  Institute of Fundamental Technological Research PAS,  ´Swie¸tokrzyska 21, 00‐049 Warsaw, PL    We  consider  the  interdiffusion  in  the  samples  used  in  experimental  investigation  in  the  High  Resolution  Transmission  Electron Microscopy (HRTEM) [1]. Thermodynamic foundations based on the field theory is presented in brief [2]. The driving  forces for interdifussion and mass transfer are derived from the balance equations. Two components are analysed: (1) the  residual  stress  gradient  and  (2)  gradient  of  chemical  potential.  Both  components  are  analysed  quantitatively.  The  mathematical foundations for a 3D FE modelling of the initial‐boundary‐value problem are presented. We consider a coupled  problem for residual stresses and indium segregation.  The  process  is  simulated  step‐by‐step  in  time  including  two  concurrent  components  of  the  driving  force.  The  chemo‐ mechanical initial‐boundary‐value problem is solved for: the nodal displacements and indium fraction spanned respectively  on different subgroups (64/27) of 83 node finite element. In this way a self‐compatible formulation for different tensor fields  operating in the same FE is obtained. The computer animation predicts to which resultant shape and position the clustering  can tend to.    [1] P. Ruterana, S. Kret, A.Vivet, G. Maciejewski and P. Dłu˙zewski, J. Appl. Phys. 91, 8979 (2002).  [2] P. Dłu˙zewski, Defect and Diffusion Forum 264, 63 (2007). 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

74

    ………………  DSL370  Prof. Panayota Vassiliou   National Technical University of Athens,   Heroon Polytechniou 9, 15780, Zografou,  Greece   

Electroless Ni‐P Composites with ZrO2: Preparation, Characterization,   Thermal Treatment  Jelica Novakovic, M. Delagrammatikas, P. Vassiliou and C.T.Dervos  National Technical University of Athens, Athens, 15780, Greece    The study of composite electroless Ni‐P coatings is pursued in order to obtain metal coatings on metal alloys with advanced  properties  i.e.  with  high  wear  and  corrosion  resistance  for  particular  engineering  and  industrial  uses.  Many  studies  are  produced where the properties of these coatings are of interest in electronics, in specific engineering applications on many  types of substrates, i.e. metal or ceramic [1]. In the present work composite NiP‐ZrO2 layers were prepared by simultaneous  electroless  deposition  of  Ni‐P  and  ZrO2  on  steel  substrate,  from  a  reductive  solution  in  which  ZrO2  particles  were  kept  in  suspension by stirring. The addition of zirconia particles in the bath leads to the simultaneous deposition of the particles with  the  Ni‐P  alloy  as  it  was  previously  observed  for  Ni‐P‐TiO2  composite  coatings  [2,  3].  The  deposits  are  microcrystalline  and  poreless, therefore they  have an increased corrosion resistance. Deposits were characterized for its  structure, morphology  and  hardness  by  optical  microscopy,  scanning  electron  microscopy  and  microanalysis  as  well  as  X‐ray  diffraction.  The  produced deposits were of 30 mm of thickness on cylindrical steel specimens. The load of the particles in the bath was 0, 0.5,  1,  2  and  5  g/l.  It  was  found  that  the  maximum  ZrO2  particle  incorporation  attained  was  7‐10%  of  Zr.  Under  the  optical  microscope the Vickers microhardness  was  measured  for  the plain  deposit and  found  to  be 720  HV  and  for  the  maximum  zirconia  content  of  10%,  820  HV.  After  heat  treatment  under  vacuum,  for  10  min,  the  microhardness  of  the  composite  is  found to be 1500 HV. The electrochemical measurement of linear polarization, in a corrosive NaCl 3.5% solution shows that  the particles presence does not significantly influence s the corrosion resistance.     [1] G.G. Gawrilov, ‘Chemical (Electroless) Nickel Plating’, Portcullis Press, Surrey, UK (1979)  [2] J. Novakovic, P. Vassiliou, Kl. Samara, Th. Argyropoulos, Surface & Coatings Technology, Vol. 201 (2006) pp.895 901  [3] J. Novakovic and P. Vassiliou,  Electrochomica Acta, Vol. 54 (2009) pp. 2499 ‐ 2503       ………………  DSL387  Mr. Philippe Garcia  CEA, DEN, DEC, St‐Paul‐Lez‐Durance Cedex, 13108,   France   

Oxygen Diffusion in Relation to P‐Type Doping in Uranium Dioxide  P. Garcia1, M. Fraczkiewicz1, C. Davoisne1,3, G. Carlot1, B. Pasquet1, G. Baldinozzi2, D. Siméone2  1CEA, DEN, DEC, St‐Paul‐Lez‐Durance Cedex, 13108, FRANCE.  2Matériaux fonctionnels pour l'énergie, équipe mixte CEA‐CNRS‐ECP, Gif‐Sur‐Yvette, 91191, FRANCE  3Imperial College, Materials Department, London, South Kensington, SW7 2AZ UK    Thermally or radiation induced transport properties impact practically all engineering aspects of nuclear oxide fuels, whether  at the manufacturing stage, during in‐reactor operation, or under long‐term repository conditions. From a more fundamental  standpoint,  measuring  transport  properties  is  also  a  means  of  probing  point  or  complex  defects  that  are  responsible  for  atomic migration. Although many studies relating to oxygen diffusion in UO2 have been carried out in the past forty years,  none  has  ever  focussed  on  characterising  this  property  as  a  function  of  all  the  physical  variables  which  determine  it,  i.e.  temperature and composition; the latter variable being determined, depending upon the temperature range investigated, by  the equilibrium oxygen partial pressure and the concentration of bi‐ or tri‐valent impurities inevitably present on the cation  sublattice.  DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

75

In  this  paper  we  show  how  electrical  conductivity  and  intrinsic  oxygen  diffusion  coefficient  measurements  can  be  used  in  conjunction to further our understanding of oxygen related point defects in UO2. From electrical conductivity measurements  performed  on  two  types  of  samples  containing  very  different  doping  levels,  we  show  the  positive  charge  carrier  concentrations  to  be  determined  by  the  impurity  concentration  in  the  temperature  range  studied.  The  gas‐solid  isotopic  exchange  method  is  then  used  to  load  the  material  with  18O  tracer  atoms  and  18O  concentration  profiles  are  then  characterised  using  SIMS.  At  the  oxygen  potential  and  temperature  studied  (750°C),  the  results  point  to  oxygen  migration  proceeding via an interstitial mechanism and to the fact that impurities control point defect concentrations responsible for  atomic migration      ………………  DSL029  Dr. Mehrdad Abbasi  Engineering Faculty, Material Science Dep.,   Islamic Azad University karaj branch, Karaj, Iran   

Interface Intermetallic Growth Investigation of Annealed  Cold Welded Al/Cu Bimetal  M. Abbasi 1  1Engineering Faculty, Material Science Dep., Islamic Azad University karaj branch, Karaj, Iran;  [email protected]    The aim of this article is to study the growth rate of Intermetallic compounds at interface of cold roll bonded Al/Cu bimetal at  250 oC and compare the results with a similar study performed on friction welding of Al to Cu. Samples of tri‐layered Cu‐Al‐ Cu  composite  were  produced  by  cold  roll  welding  process  and  annealed  at  constant  temperature  of  250  oC  for  1  to  1000  hours.  The  thickness,  morphology  and  composition  of  intermetallic  compound  at  interface  of  Cu  and  Al  were  studied  by  optical and scanning electron microscopes and EDX analyzer. The presence of various intermetallic compounds (Cu3Al, Cu2Al,  CuAl and CuAl2) was detected and the priority of formation of each compound was studied. For a binary system of Al‐Cu and  a diffusion‐controlled process the interfce composition from copper side has to change from low to high Al‐content without a  decrease  in  between.  But  EDX  analyzer  reviled  that  there  is  amid  layer  with  a  decrease  Al‐content  in  between.  This  is  proposed due to mixed chemical and diffusion controlled of growth process. The bond strength and electrical resistivity of  different  samples  were  measured  by  peeling  test  and  a  high  precision  micro‐ohmmeter,  respectively.  The  variations  of  resistivity and bond strength versus thickness of intermetallic compound were plotted. It was observed that the strength and  electrical conductivity is noticeably reduced by increasing the thickness of intermetallic compounds. Moreover, the growth  rate of intermetallic compounds in roll welded bimetal composite is lower compared with that reported for similar friction  welded specimens.    Keywords: Aluminum; copper; roll welding; Intermetallic growth; diffusion controlled; bond strength; bimetal resistivity.      ………………  DSL080  Mr. Luckman Muhmood  Graduate Student,  Royal Institute of Technology,   Stockholm ‐10044, Sweden   

Evaluating the Diffusion Coefficient of Sulphur in CaO‐SiO2‐Al2O3‐FeO Slag   L. Muhmood1, T. Matshusita2 and S.Seetharaman3  1 Graduate Student, Royal Institute of Technology, Stockholm ‐10044, Sweden  2 Associate Professor, Royal Institute of Technology, Stockholm ‐10044, Sweden  3 Professor, Royal Institute of Technology, Stockholm ‐10044, Sweden    The  diffusion  coefficient  of  sulphur  in  35%CaO‐10%SiO2‐50%Al2O3‐5%FeO  slag  was  determined  at  1450°C  using  an  iron  crucible. Silver was used as the metal phase due to its low liquid solubility in iron, while a gas mixture of Ar‐CO‐CO2‐SO2 was  allowed to react with the slag‐metal equilibrium system after maintaining it for 2 hours. The concentration of sulphur in the 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

76

metal, slag and gas mixture at 14500C was determined by using Thermocalc and Thermoslag software. The metal and slag  were kept in a specially designed crucible so as to avoid any slag entrapment during sampling. Metal samples were taken at  regular intervals and chemically analyzed for sulphur. Using the mass balance equations, an equation was derived to evaluate  the diffusion coefficient of sulphur in slag as a function of the sulphur content in silver at any time t. The results are discussed  in the light of earlier diffusivity measurements by different techniques [1, 2].    References:  1. T. Saitô and Y. Kawai, Sci. Rep. RITU, A5 (1953), 460.  2. G.. Derge, W.O. Philbrook and K.M. Goldman, Tr. AIME, 188 (1950), 1111.      ………………  DSL104  Prof. Peter Hing  Physics Department  Faculty of Science  University of Brunei Darussalam  Jaln Tunku Link BE  Gadong BE1410, Negara Brunei Darussalam   

Ultra Rapid Sintering of Ceramics  P Hing  Physics Department Faculty of Science University of Brunei Darussalam  Jaln Tunku Link BE Gadong BE1410   Negara Brunei Darussalam    Sintering  of  alumina  to  translucency  was  first  reported  by  R  L  Coble  [1].  Since  then  the  sintering  of  translucent  sintered  alumina has been widely studied [2‐ 4].  The application of sintered alumina in high pressure sodium and more recently in  ceramic  metal  lamps  is  also  well  documented  [5‐  7].  The  sintering  of  alumina  by  conventional  method  requires  prolonged  sintering in hydrogen atmosphere. This is a very costly operation in terms of energy used, and the huge amount of hydrogen  needed for the process. This paper presents for the first time investigations on the sintering of tubular alumina ceramics to  translucency  in  a  low  thermal  mass  furnace.  It  is  found  that  extremely  fast  sintering  occurs  in  a  foming  gas  atmosphere.   Rapid  densification  occurs  in  minutes  rather  than  hours  in  conventional  sintering  of  ceramics.  The  relationship  between  processing, properties, microstuctures and performance are presented and discussed.     References   1. R L Coble, British Patent No 3,026,210, 1961  2. R J Brook, Sci.. Met., 2 (7), 375, 1968  3. P Hing, Vacuum Sintering of Alumina to Translucency” British Ceramic Proceedings, Novel Synthesis and Processing of  Ceramics, Edited by F. Resale, No. 53, 145‐168. 1995.  4. Yet ‐ Ming Chiang, D Birnie and W D Gingery, Physical Ceramics, Wiley‐MIT Chapter 5, Microstructure, 414‐418,1997.   5. M A Cayless and AM Marsden, Editors, Lamps and Lighting, Edward Arnold, Chapter 7, Lamp Materials, D T Evans and J  Day, 123‐138, 1983.   6. P Hing, Processing, Properties and Performance of Sintered Aluminas, 6th International Conference on Materials  Processing for Properties and Performance, Midas Symposium, September, 2007, Beijing, PRC.  7. P.Hing, Materials for Discharge Light Sources, Scientia Bruneiana, Volume 8/9, 81‐101, 2008.      ………………  DSL384  Prof. Ho‐Soon Yang  Pusan Center,   Korea Basic Science Institute,   Pusan 618‐230, Korea   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

77

Improvement of the Electrochemical Properties in Nano‐Sized AlF3 and Al2O3‐Coated  LiFePO4 Cathode Materials  C. W. Ahn1, K. S. Hong1, E. D. Jeong1, D. J. Lee2, C. H. Doh2, K. Y. Doh3, J. M. Na3,  B. H. Song3, H. M. Jeon3, Y. G. Cho3, and H. S. Yang4  1Pusan Center, Korea Basic Science Institute, Pusan 618‐230, Korea  2Korea Electrotechnology Research Institute, Changwon 641‐120, Korea  3Gyeongnam Science High School, Jinju 660‐851, Korea  4Department of Physics, Pusan National University, Pusan 609‐735, Korea    LiFePO4 is one  of the  most  promising  cathode materials for Li  ion  batteries. However,  the main obstacles in obtaining the  theoretical performances of LiFePO4 are its low electrical conductivity and the difficulty in synthesizing single‐phase LiFePO4  because  of  the  easy  oxidation  of  Fe2+.  We  have  tried  several  methods  to  improve  the  electric  capacity  of  LiFePO4.  For  examples,  we  added  organic materials such as  humic  acid  and chitosan, and  transition metals.  Also we tried to  synthesize  LiFePO4  with  different  processes  such  as  sol‐gel  and  solid‐state  reaction  methods.  In  this  presentation,  we  describe  the  obtained results by adding aluminums in LiFePO4.  The surface conditions of LiFePO4 powder were modified by adding AlF3 and Al2O3 by using the sol‐gel process to improve  its electrochemical properties. The nano‐sized AlF3 and Al2O3 partially covered the surface of LiFePO4 powders, confirmed  from  an  transmission  electron  microscope  image.  The  state  of  coated  Al  materials  was  examined  by  using  X‐ray  photoelectron  spectrometer  results.  The  nano‐sized  AlF3  and  Al2O3‐coated  LiFePO4  powders  showed  no  difference  in  the  bulk  structure  compared  with  the  pristine  one.  However,  the  AlF3  and  Al2O3  coating  on  LiFePO4  powder  improved  the  overall electrochemical properties such as the cyclability and the rate capability compared with those of the pristine LiFePO4.  Specially, the Al2O3‐coated LiFePO4 powder shows relatively high discharge capacity and good cycling stability. Its discharge  capacity  was  148  mAh/g  at  the  0.2  C  rate  and  the  capacity  retention  was  about  93  %  of  its  initial  papacity  after  50  cycles  under 0.2 C rate. Such enhancements were attributed to the presence of the stable AlF3 and Al2O3 layer which acts as the  interfacial stabilizer on the surface of LiFePO4.      ………………  DSL399  Dr. Wolfgang Gruber  TU Clausthal, Robert‐Koch_Str. 42,   D‐38678 Clausthal‐Zellerfeld, Germany   

Substrate Dependent Diffusion and Crystallization in Magnetron   Sputtered SiC Films  W. Gruber1, U. Geckle2, M. Bruns2, H. Schmidt1   1TU Clausthal, Robert‐Koch_Str. 42, D‐38678 Clausthal‐Zellerfeld, Germany.  2 Institut für Instrumentelle Analytik, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, D‐76344 Eggenstein‐Leopoldshafen, Germany.    Thin films of amorphous and polycrystalline SiC have a great potential for applications in various branches of technology. For  a tailored production of polycrystalline films an understanding of nucleation and growth mechanisms which determine the  microstructure  are  necessary.  X‐ray  diffractometry  (XRD)  and  transmission  electron  microscopy  (TEM)  studies  on  r.f.  co‐ sputtered  SiC  films  deposited  on  crystalline  silicon  and  glassy  carbon,  respectively,  yielded  a  three  dimensional  interface  controlled growth mechanism from pre‐existing nuclei for both types of substrates [1]. However, the rates of crystallization  strongly depend on the substrate. For single crystalline silicon as a substrate an activation enthalpy of about 4 eV is found for  the rate of crystallization. If glassy carbon is used as a substrate the corresponding activation enthalpy is about 9 eV.  For  a  closer  investigation  of  this  phenomenon,  in  this  study  we  investigated  films  deposited  on  different  substrates  with  different  thickness  (100  nm  to  1  mm)  and  variable  composition  SiCx.  Crystallization  kinetics  is  investigated  using  grazing  incidence  X‐ray  diffractometry  (GIXRD).  Since  self‐diffusion  plays  an  important  role  for  crystallization  we  measured  the  diffusivities  of  the  constituting  elements  for  SiC  films  deposited  on  crystalline  silicon  and  glassy  carbon  substrates,  respectively.  For  diffusion  measurements  we  used  isotope  enriched  hetero  structures  produced  via  magnetron  sputtering.  For  depth  profiling  secondary  ion  mass  spectrometry  (SIMS)  was  used.  Based  on  the  experimental  results  a  model  for  crystallization kinetics is discussed.    [1] H. Schmidt, E. R. Fotsing, G. Borchardt, R. Chassagnon, S. Chevalier and M. Bruns, Applied Surface Science, 252 (2005)  1460. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

78

    ………………  DSL247  Dr. Evgeniy Selivanov  Institute of Metallurgy of Ural Division of Russian Academy of Sciences,  101, Amundsen Str., Yekaterinburg, 620016,   Russia   

Phase Formation in FeOx‐SiO2‐Cu2O‐ZnO‐FeS System   During Melts Crystallization  E.N. Selivanov, R.I. Gulyaeva, N.I. Selmenskich, L.Y. Udoeva   Institute of Metallurgy of Ural Division of Russian Academy of Sciences, 101, Amundsen Str., Yekaterinburg, 620016, Russia    The  phase  formation  in  oxide‐sulphidic  systems  was  studied  with  use  of  thermodynamic  modeling,  X‐rays  diffraction,  mineralography, combined thermogravimetry and calorimetry, and also the x‐ray spectral microanalysis. The purpose of this  work  was  to  estimate  effect  of  cooling  rate  of  melts  in  FeOx‐SiO2‐Cu2O‐ZnO‐FeS  systems  on  structure  and  content  of  the  resulting phases. Test subjects were two samples having following compositions (wt. %): I ‐ 40.5 Fe, 2.41 S, 0.87 Cu, 3.87 Zn,  32.1 SiO2 and II ‐ 40.67 Fe, 3.05 S, 8.55 Cu, 4.05 Zn, 19.53 SiO2. Cooling rate of the milts was changed from 0.3 up to 900 K/s.   Intensity of radiographic reflexes for phase components of the samples changes with cooling rate and amorphous structures  appear at 900 K/s. Temperatures and heats of divitrification, ‘cold’ crystallization and melting of the tempering samples were  determined.  The phases formed at melt cooling are basically presented by magnetite and iron silicates with variable composition. Copper  makes  bornite  solid  solutions  independently  of  crystallization  rate.  Zinc‐containing  sulphidic  phases  are  formed  at  slow  cooling  of  the  samples  as  well  as  at  their  annealing  about  1000  K.  Findings  of  investigation  of  nonferrous  metals  mass  transfer  and  phases  formations  during  oxide‐sulphidic  melts  crystallization  can  be  used  for  improvement  of  valuable  components extraction from slags for metallurgy of nonferrous metalls.    This work was supported by the Russian Foundation for Basie Research, project no 07‐03‐96087      ………………  VIP‐DSL012  Prof. A. Fishman  Institute of Metallurgy of the Ural Branch of   Russian Academy of Sciences, RUSSIA   

The Structural Phase Transitions in Mechanoactivated Manganese Oxides  A.Ya.Fishman1, E.A.Pastukhov1, S.A. Petrova1, N.K. Tkachev2, R.G. Zakharov1  1Institute of Metallurgy, UD RAS, Ekaterinburg, 620016, Russia  2Institute of High Temperature Electrochemistry UD RAS, Ekaterinburg, 620041, Russia    An attempt to obtain mechanochemically the nanoscaled manganese oxides (II, III) with certain structural characteristics has  been  undertaken,  and  an  influence  of  conditions  of  mechanical  processing  on  these  characteristics  has  been  investigated.  Processing both single‐phase oxides and their mixes depending on time, structure of gas atmosphere, a chemical compound  of  investigated  substance  (mix),  and  process  parameters  was  considered.  As  initial  chemically  pure  manganese  oxides  Mn2O3, Mn3O4 and also mixes Mn2O3 ‐ Mn3O4 and Mn2O3 ‐ MnO2 taken in equimolar ratio were used. At that the ground  attention was directed on the phase transitions from cooperative Jahn‐Teller (JT) state to low or high temperature phases.  The  size  of  particles  of  the  received  powders  was  estimated  by  means  of  laser  analyzer  HORIBA  LA‐950  and  a  scanning  electronic microscope. The phase composition of the substances obtained, the size of coherent scattering domains, as well as  microstrains  were  defined  by  XRD.  A  surface  of  the  oxides  has  been  investigated  by  XPES  and  STEM  methods.  Exposed  specific features of the structural phase transitions in nano‐sized oxide crystals were interpreted using the Kanamori model  for  JT  crystal  subsystem  taking  into  account  the  size  of  nano‐crystallites,  the  distribution  of  cations  over  non‐equivalent  sublattices, and random crystal fields.  It was established right after a unique mechanochemical processing the sizes of grains decrease in hundreds times leading to  mosaic blocks with the linear sizes of 10‐100 nm, rather free from any structural defects. Within these nondestructive grains 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

79

in  the  course  of  the  further  intensive  grinding  changes  of  the  sizes  of  coherent  scattering  domains  and  microstrains  take  place together with different chemical processes. Microstrains appeared at once after the first processing do not essentially  vary throughout all process of grinding. Non‐monotonic dependence of the size of coherent scattering domains on processing  duration is found out. It is shown the transaction of the Mn3O4 oxide to nanocrystalline state is accompanied by essential  change of parameters of the Jahn‐Teller structural phase transformation.       ………………  DSL130  Mr. Sébastien CHAUFFAILLE  Université Bordeaux 1,  Laboratoire de Mécanique Physique (LMP)‐UMR CNRS 5469,  351 Cours de la Libération, 33405 TALENCE Cedex, FRANCE   

Liquid Diffusion in Polymers by Impedance Measurement  S.Chauffaille, O. Devos, J. Jumel, M.E.R.Shanahan   Université Bordeaux 1, Laboratoire de Mécanique Physique (LMP)‐UMR CNRS 5469,  351 Cours de la Libération, 33405 TALENCE Cedex, FRANCE.    Despite  the  many  advantages  of  polymeric  materials  in  industry,  medicine,  civil  engineering,  etc.,  polymers  are  to  some  extent permeable to fluids [1]. This can be a major problem in the case of polymeric adhesives in, for example, the aircraft  industry. Classically, liquid diffusion in polymers is studied by gravimetry. This technique is relatively straightforward when  using  bulk polymer samples. In the  case of  adhesive  joints,  the procedure is  difficult to  employ, since the  relative  mass of  polymer  compared  to  the  substrates  is  generally  small,  thus  considerably  reducing  the  precision,  although  a  method  to  estimate diffusion rates from mechanical properties has been suggested [2].  Here we propose an electrochemical technique. The adhesive layer constitutes part of an (alternating, AC) electrical circuit,  also containing in series a metallic substrate (adherend) and water, in contact with the polymer. Impedance, but particularly  capacitance, varies with water uptake into the adhesive, following diffusion. At high frequency, the impedance is essentially  due to a capacitive contribution. Using a classic model [3] to estimate the volume fraction of water content from changes in  permittivity, it is possible to estimate overall liquid uptake and the corresponding coefficient of diffusion. Results compared  to those found by gravimetry suggest that this technique could be developed as a useful tool  for monitoring diffusion and  permeation. Not only is the method continuous in time, but also avoids disturbing the system during the diffusion process.    [1] P. Neogi, Ed., Diffusion in Polymers, Plastics Engineering Series, Vol. 32 (Marcel Dekker, New York, 1996).  [2] M.P. Zanni‐Deffarges and M.E.R. Shanahan, Inter. J. Adhesion Adhesives, 15, 137 (1995).  [3] D.M.Brasher and A.H. Kinsbury, J. Appl. Chem., 4, 62 (1954).      ………………  DSL351.1  Mr. Dong‐Wan  Department of Applied Chemistry, KonKuk University,   Chungju, Chungbuk, Korea   

Preparation and Characteristics of Silicon Grafted Poly(ethersulfone)s   D. W. Seo1, D. G. Kim1, Y. D. Lim1, S. H. Lee1, S. H. Moon2,   S. C. Ur3, T. W. Hong3, and W. G. Kim1  1Department of Applied Chemistry, KonKuk University, Chungju, Chungbuk, Korea  2Department of Animal Science, Konkuk University, Chungju, Chungbuk, Korea   3Department of Materials Science and Engineering, Chungju National  University, Chungju, Chungbuk, Korea    Propenyl  contained  poly(ethersulfone)s  were  prepared  with  bisphenol  A,  3,3’‐diallyl‐4,4’‐dihydroxy‐biphenyl  and  4‐ fluorophenylsulfone,  respectively,  at  160Ԩ  using  potassium  carbonate  in  N,N’‐dimethylacetamide.  The  silicon  grafted  poly(ethersulfone)s  were  prepared  from  the  propenyl  contained  polymer  precursor  and  one  H‐functional  siloxane.  The  syntheses  of  silicon  grafted  polymers  were  achieved  by  hydrosilylation  with  platinum  (0)‐1,  3‐divinyl‐1,  1,  3,  3‐

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

80

tetramethyldisiloxane  complex  solution  as  catalyst.  The  properties  of  resulting  polymers  such  as  structural  characteristics,  thermal  properties,  surface  morphologies  were  investigated  by  1H  NMR  spectroscopy,  DSC,  TGA,  and  AFM.  Grafting  of  silicone  made  a  remarkable  change  to  the  poly  (ethersulfone)  polymer.  The  silicon  polymers  possess  some  interesting  properties such as low surface energy, water repellency and bioinertness.      ………………  DSL079  Prof. Koichi Terasaka  Keio University,   Yokohama, 223‐8522,   Japan 

Mass Transfer from Shrinking Single Microbubble into Electrolytic Aqueous Solution  1

2

2

1

K. Terasaka , M. Okubo , Y. Sato , D. Kobayashi   1

2

Keio University, Yokohama, 223‐8522, Japan. 

Graduate School of Keio University, Yokohama, 223‐8522, Japan. 

  The smaller bubble than ca.100 μm is called “microbubble.” The microbubbles have very large specific surface area and very  slow rising velocity. The microbubbles dissolve so fast into liquid and adsorb particles so well that microbubble aeration came  to  be  utilized  in  marine  industry,  agriculture  and  lake  purification  in  Japan.  Moreover,  the  industrial  applications  of  microbubble such as gas absorber, flotation and particle recovery are also investigated because the microbubble technology  contributes to the reduction of additives, high efficiency and high recovery. On the other hand, Terasaka [1] discovered that a  crystal generates on a microbubble when the single microbubble is shrinking in dilute NaCl aqueous solution as shown in Fig.  1. To form a crystal in solution, generally, the solute concentration has to be excess supersaturated concentration. When a  static single microbubble is  rapidly dissolving into electrolytic aqueous  solution, however, the dissolved gas component let  the supersaturation of electrolyte at the microbubble surface reduce. Therefore, a solid crystal was produced on the shrunk  microbubble due to salting out by the gas dissolution. The crystallization in dilute solution can be applied for the industrial  crystal seed production and the other useful purposes. In this study, the microbubble shrinkage in some electrolytic aqueous  solutions  was  observed  using  a  digital  microscopic  video  camera.  The  mechanism  of  mass  transfer  from  a  shrinking  microbubble was proposed. The shrinkage behaviour was simulated with a theoretical model. 

  Gas: dry oxygen Liquid：0.1wt%NaCl aq. soln

.

Fig.1 Crystallization during micro bubble shrinkage  [1] K. Terasaka, Japanese Patent Application, 2007‐307851 (2007).       ………………  DSL169  Dr. Kang‐Sup Chung  Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources,  Korea   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

81

Lithium Metal Phosphates as Cathode Materials for Li‐ion   Batteries: Analysis and First‐principles Calculation  Kang‐Sup Chung1, Jae‐Chun Lee1, Hwan Lee1, Hee‐Jin Kim2, Yang‐Soo Kim2  1Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Korea.  2Korea Basic Science Institute, Korea.    We studied the possibility of using the metal oxide powders as cathode active materials for lithium ion batteries, and found  out their electrochemical performance and principles through the calculation. We report the novel lithium metal phosphates  which  can  be  used  as  potential  cathode  materials  in  terms  of  practical  applications  such  as  average  voltage  and  reaction  mechanism. We characterized crystal and electronic structures of lithium metal phosphates using TGA, XRD, XPS, SEM, and  TEM.  We  studied  the  electrochemical  properties  using  the  first‐principles  calculation.  In  analyzing  the  electronic  structure  and chemical bonding of the lithium metal phosphates, we used two kinds of first‐principles calculations: molecular orbital  calculations using the DV‐Xα method and the ab initio total‐energy and molecular dynamics program VASP.    [1] Adachi H, Tsukada M and Satoko C, J. Phys. Soc. Jpn. 45 875(1978).  [2] Tarascon J. M and Armond M, Nature 414 359(2001).  [3] Averill F. W and Ellis D. E, J. Chem. Phys. 59 6412(1973).      ………………  DSL255  Dr.  Aleksandr Micko  Riga Technical University, Riga, 14 Azenes Str.,   LV‐1048, Latvia    

Graded Band‐gap Structure Formation in CdZnTe due to Redistribution   of Cd and Zn Atoms and Quantum Confinement Effect  A.Medvid’1,2, A.Mychko1, V.Gnatyuk2, S.Levytskyi2and Yu. Naseka2  1Riga Technical University, Riga, 14 Azenes Str., LV‐1048, Latvia   2Institute of Semiconductor Physics, prospect Nauki, 41, Kyiv, 03028, Ukraine.    The aim of this research is to show the possibility of graded band‐gap structure [1] formation in Cd1‐xZnxTe sample using the  second  harmonic  of  a  Q‐switched  Nd:  YAG  laser  radiation  (LR).  The  sample  Cd1‐xZnxTe/SiO2  crystals  were  irradiated  at  a  room temperature and atmospheric pressure by a second harmonic (l = 532 nm, t=15ns) of the Nd: YAG laser at intensities  from  0,  2  MW/cm2  to  12  MW/cm2.  Photoluminescence  (PL),  atomic  force  microscope  (AFM)  and  photoconductivity  (PC)  were used as the main investigation tools. After irradiation of Cd1‐xZnxTe crystal at laser intensity more than 0.2 MW/cm2  the exciton line A0X of PL spectra shifted to a lower energy ‐“red shift” and at laser intensity I=2MW/cm2 it had a maximal  value of 4,1meV.   Nanohills  formed  on  the  surface  of  the  semiconductor  crystal  after  irradiation  by  laser  with  intensity  of  I  ≈  4  MW/cm2,  caused  PL  spectrum  shift  in  the  direction  of  high  energy  –  “blue  shift”.  The  shift  of  A0X  line  at  laser  intensity  of  I  =12  MW/сm2  was  DE=7.7meV.  The  shifts  of  exciton  A0X  line  are  explained  by  Exciton  quantum  confinement  effect  in  nanostructures formed on the surface of the semiconductor. The graded band‐gap structure with optical window is formed  on the peaks of nanohills. At laser intensities less than 4 MW/cm2 the maximum of PC band shifted to the lower quantum  energy  –  “red  shift”,  but  at  higher  intensities  the  “blue  shift”  takes  place.  This  result  is  in  a  good  agreement  with  PL  measurement data. The possibility of graded band‐gap formation in Cd1‐xZnxTe crystal by the second harmonic of Nd: YAG  laser radiation has been revealed. The Thermogradient effect plays the main role in the redistribution of Zn atoms [2] at the  irradiated surface of  Cd1‐xZnxTe at laser intensities from 0.2 MW/сm2 till 2 MW/сm2.    [1] V.F Kovalenko, G.P. Peka, L.G. Shepel’Phys.Tech. of Semicon. V.14, 1350 (1980) [2] A.Medvid’ Defects and Diffusion  Forum, 89, 210‐212 (2002).       ………………  DSL270  Dr. Adam Barcz  

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

82

Institute of Electronics Technology, Institute of Physics PAS  Al. Lotnikow 32/46, 02‐668 Warsaw, Poland   

Silicon Dioxide as a Boundary for Oxygen Outdiffusion from CZ‐Si  Adam Barcz  Institute of Electronics Technology, Institute of Physics PAS  Al. Lotnikow 32/46, 02‐668 Warsaw, Poland     It is well evidenced  that heating a Czochralski‐grown silicon supersaturated with oxygen to concentrations [O] ~1018/cm3   leads  to  oxygen  outdiffusion  and  formation  of  a    so‐called  “denuded  zone”.  Most  authors  used  to  consider  the  resultant  concentration  that  develops  at  the  surface,  Csurf(out),  as  synonymous  with  the  solid  solubility  of  oxygen  Cs  [1].  We  have  argued  that,  rather,  the  correct  measure  of  Cs  is  a  surface  concentration  that  develops  upon  in‐diffusion  of  oxygen  into  a  float zone Si [2]. We established Cs = Csurf(in) by measuring in‐depth profiles using SIMS technique with so far unattainable  detectability 2000

   

x •

E=hυ

x •

                                      Fig.1.                                                                          Fig.2.      - Fe3O4( 15°,  σGBmin  usually  corresponds  to  the  twin  GBs.  For  φ  >  15°  a  GB  is  a  continuous  two‐dimensional  defect.  Below φ = 15° a GB is discontinuous and consists of a set (a wall or a network) of lattice dislocations. Its  energy  σLow  can  be  below  σGBmin  and  respective  wetting  transition  temperature  TwLow  >  Twmax.  We  observed  such  phenomenon  for  the  first  time  in  the  Cu–Ag  system.  Above  TwLow,  the  Ag‐rich  melt  penetrates  into  the  network  of  the  low‐angle  Cu  subgrains.As  a  result,  the  Cu‐grains  disintegrate  into  small particles. GB triple joints (TJ) can also be wetted by a liquid. In this case the TJ is substituted by the  triangular prism filled by a liquid. The wetting condition for TJ (σGB > (σSL)0.5) is weaker that that for a GB  (σGB  >  2σSL).  As  a  result,  the  wetting  transition  temperature  for  TJs  TwTJ  is  below  the  minimal  wetting 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

212

transition temperature for GBs TwTJ DGa.    However,  the  difference  in  the  diffusion  coefficients  of  both  constituent  elements is different between Ni3Ge and Ni3Ga. It is suggested that α‐sublattice vacancy mechanism is operative  in L12 –type intermetallic compounds.   For  L10‐type  structure  such  as  γ‐TiAl,  significant  diffusion  anisotropy  is  observed.  The  diffusion  of  Ti  in  the  diffusion  perpendicular  to  the  [001]  axis  is  almost  one  order  of  magnitude  faster  than  that  parallel  to  the  [001]  direction. Such diffusion anisotropy is similar to that of In diffusion. It is suggested that Ti atoms diffuse on the Ti  sublattice,  while  Al(In)  atoms  also  diffuse  on  the  Ti  sublattice.    The  cause  of  the  anisotropy  of  the  diffusion  coefficient  is  discussed  in  view  of  the  defect  structure  and  the  correlation  of  the  jump  vectors  of  successive  vacancy jumps.   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

235

    ………………  DSL136  Dr. Robert Filipek  Faculty of Materials Science and Ceramics, Interdisciplinary Centre of Materials Modeling,   AGH University of Science and Technology, Al. Mickiewicza 30,   30‐059 Kraków, Poland    

Diffusion‐Reaction Mechanism and Kinetics of the Intermetallics Growth ‐  Theory and Experiment  R. Filipek  Faculty of Materials Science and Ceramics, Interdisciplinary Centre of Materials Modeling,   AGH University of Science and Technology, Al. Mickiewicza 30, 30‐059 Kraków, Poland     Diffusion  soldering  technology  is  an  effective  method  of  obtaining  stable  metal/metal  interconnections  using  solder which forms intermetallic phase with the joining materials. The joint microstructure, chemical composition  and the sequence of appearance of the intermetallic phases are important factors that influence its stability. The  important parameters determining diffusion soldering technology are thickness of solder, time and temperature of  the  process.  Understanding  of  the  mechanism  of  this  process  is  necessary  for  prediction  of  growth  kinetics  of  phases and finally optimisation of the diffusion soldering technology.  The  phenomenological  model  enabling  a  description  of  the  growth  of  intermetallic  phases  in  multi‐component  systems  is  presented.  Full  time‐dynamics  approach  is  applied  without  often  used  simplifications  such  as  flux  constancy. General form of the species flux is considered which consists of chemical potential gradient as a driving  force  for  diffusion  with  additional  drift  term.  Stefan‐type  (moving)  boundary  conditions  are  considered.  The  concept of flux constraint allows estimating a delay of the formation of the slowly growing phases. In the present  form the model assumes local equilibrium at each interface and that the process of growth of intermediate phases  is  controlled  by  diffusion  of  reagents  through  the  layers  and/or  chemical  reactions  at  the  boundaries.   The model is solved in its full generality. Numerical method for the solution to the problem has been developed.  First, by specially selected change of dependent variables the moving boundary problem was transformed into an  equivalent  fixed  boundary  problem.  Next,  such  problem  was  treated  using  the  method  of  lines  which  converts  partial differential equations into system of ordinary differential equations (ODE) which is effectively solved. Due  to the large number of the ODEs to be solved the solution of the model was obtained using a parallel computing  technique.  Calculations  have  been  performed  on  the  computer  cluster  using  shared  and  distributed  memory  models utilizing OpenMP and MPI standards.   Numerically  obtained  solution  was  tested  and  compared  with  analytical  solution  available  in  special  cases  and  other  approximate  solutions  (e.g.,  enthalpy  and  Murray‐Landis  methods)  showing  satisfactory  agreement.  The presented model was used for modelling of growth of intermetallic phases in binary Ag/Sn, Ag/In and ternary  Cu/In‐Sn systems and compared with experimental results.  The problem of determination of diffusion coefficients in multi‐component multi‐layer systems is discussed.      ………………  DSL133  Dr. Andriy Gusak  Cherkasy National University,  81 Shevchenko blvd., Cherkasy,   Ukraine   

IMC Growth and Competition in Nano‐scale Reactions  A.M.Gusak, T.V.Zaporozhets, S.V.Kornienko 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

236

Cherkasy National University, 81 Shevchenko blvd., Cherkasy, Ukraine    Initial stages of intermetallic compound formation and growth will be reviewed. Among others, the following new  topics will be discussed:   1.  Reconsideration  of  Goesele‐Tu  model  for  initial  IMC  growth  stages  for  the  case  of  strong  composition  dependence  of  interdiffusivity  inside  growing  phase.  (Interface  kinetics  leads  to  change  of  boundary  concentrations  with  time,  and,  in  case  of  strong  concentration  dependence,  it  leads  to  change  of  averaged  diffusivity. Thus, effective diffusivity depends on phase thickness, and this dependence can be monotonous as well  as non‐monotonous)  2. Effect of finite efficiency of vacancy sinks/sources in the bulk and at the moving interfaces of intermetallic layer  on the growth kinetics. (Difference of partial diffusivities within IMC leads to vacancy fluxes, and limited efficiency  of vacancy sinks/sources leads to additional vacancy gradients changing the fluxes of main components.  Process is  governed by, at least, 3 characteristic lengths)  3.  Synergy  of  interface  barriers,  nonequilibrium  vacancies  and  passing  electric  current  in  the  IMC  competition.  (Criteria of phase suppression/growth are presented for various DC regimes)  4. Compounds growth and competition in hollow nano‐shell formation – interplay of Kirkendal, inverse Kirkendall,  Frenkel and Gibbs‐Thomson effects. (Kinetic models of single‐phase and two‐phase growth in core‐shell structures  are presented.)  5.  IMC  competition  during  SHS  in  multilayered  foils.  (Phenomenological  steady‐state  model  and  general  mesoscopic  model  of  multiphase  SHS  are  presented  for  case  of  one‐by  one  and  case  of  simultaneous  IMC  formation)      ………………  VIP‐DSL006  Prof. I. Belova  The University of Newcastle,   AUSTRALIA    

Origin of the Vacancy‐Wind Effect in Interdiffusion in Intermetallics  I.V. Belova1, G.E. Murch1  1University of Newcastle, Callaghan, NSW, 2308, Australia.    The vacancy‐wind effect is a subtle phenomenon that occurs when two atomic species compete for vacancies in a  net vacancy flux. The vacancy‐wind effect is embodied in (for example) the vacancy‐wind factor that appears in the  Darken‐Manning Equation relating the interdiffusivity, the tracer diffusivities and the thermodynamic factor. The  vacancy‐wind  factor  is  nearly  always  calculated  by  building  it  up  from  its  components  of  tracer  and  collective  correlation  factors.  Accordingly,  the  actual  physics  behind  the  vacancy‐wind  phenomenon  have  not  been  well  understood. Recently, a moving reference frame Monte Carlo method was used to graphically illustrate how the  vacancy‐wind effect operates in both ionic conductivity in an ionic solid with impurities and chemical interdiffusion  in a concentrated alloy [1]. Those ideas are extended in this paper to show graphically how the vacancy‐wind effect  operates in interdiffusion in an intermetallic taking the B2 structure. A simple 4‐frequency vacancy diffusion model  was used. In previous work, it was shown that depending on composition and temperature, this model can exhibit  both six‐jump‐cycle and antistructural bridge mechanisms.    [1] I.V. Belova and G.E. Murch, Defect and Diffusion Forum, Vol. 273‐276, (2008), pp431‐444.      ………………  VIP‐DSL031  Prof. Helmut Mehrer 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

237

Institut für Materialphysik, Universität Münster,   73635 Obersteinenberg,  Berghof, Germany   

Invited Talk  Diffusion in Intermetallics  Helmut MEHRER  Institut für Materialphysik, Universität Münster,   Wilhelm‐Klemm‐Str. 10, 48149 Münster, Germany  now: 73635 Obersteinenberg, Berghof, Germany  e‐mail: mehrer@uni‐muenster.de    Diffusion in solids is fundamental in the art and science of materials and an important topic of solid‐state physics,  physical  metallurgy  and  materials  science.  A  deeper  knowledge  about  diffusion  requires  information  on  the  positions  of  atoms  and  how  they  move  in  solids.  In  crystalline  solids  the  atomistic  mechanisms  of  diffusion  are  closely connected with defects. Point defects often mediate diffusion. Dislocations and grain boundaries are other  types of defects and can act as high‐diffusivity paths, because the mobility of atoms along such defects is usually  much higher than in the lattice.  Intermetallics  are  compounds  of  two  metals  or  of  a  metal  and  a  semimetal.  Their  structures  are  different  from  those of the constituents. Some intermetallics are interesting functional materials others have attracted attention  as high‐temperature structural materials. The talk reviews some results on bjunary intermetallics mainly from our  laboratory including the systems Fe‐Al, Fe3Si, FeSi, NiMn, TiAl and Mo2Si.    Literature:  H. Mehrer, Diffusion in Solids — Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion.controlled Processes, Springer‐ Verlag, July 2007  Textbook    H. Mehrer, S. Divinski, Diffusion in Metallic Elements and Intermetallics, Defect and Diffusion Forum, in print      ………………  DSL236  Prof. Lyudmila Paritskaya  Department of Crystal Physics,  Karazin National University,  Kharkov 61077, Ukraine   

Intermetallic Growth: Structure‐Sensitive Effects  L. N. Paritskaya1, Yu. Kaganovskii2, V. V. Bogdanov1  1Department of Crystal Physics, Karazin National University, Kharkov 61077, Ukraine;  2Department of Physics, Bar‐Ilan University, Ramat‐Gan 52900, Israel.    We discuss the role of different structural defects, such as non‐stoihiometric vacancies, pores, free surfaces and  grain boundaries (GBs) in kinetics of intermetallic growth. The main objects of our studies were the systems Ni‐Cd,  Cu‐Cd, and Cu‐Sn.  Bulk  intermetallic  growth.  The  “dynamic”  diffusion  coefficients  measured  experimentally  from  the  kinetics  of  intermetallic  growth  on  the  base  of  our  theoretical  analysis  turn  out  much  higher  compared  to  tracer  diffusion  coefficients in stable intermetallics, whereas the activation energies are about twice lower. This result is caused by  deviation  of  growing  phases  from  stoichiometry  and  we  discuss  possible  diffusion  mechanisms  involving  non‐  stoihiometric vacancies.  In the systems with “unipolar” phase growth the directed vacancy flux leads to interfacial pore formation, which  hinders and even prevents the phase growth. We show that relatively low compressive pressures (of the order of 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

238

Laplace  pressure)  suppress  interfacial  pore  formation  and  provide  non‐prohibited  intermetallic  growth.  Lateral intermetallic spreading over a free surface. We have found that propagation of intermetallic phases along a  free surface occurs several times faster than in the bulk. We have developed a theory of the surface phase growth  that allows calculation of the “dynamic” diffusion coefficients over the surface of growing phases from the kinetics  of surface phase spreading.   Lateral  intermetallic  propagation  along  GBs  in  nano‐grained  thin  films.  The  rate  of  phase  propagation  in  nano‐ grained thin films exceeds 5‐10 times the phase spreading rate over the free surface in coarse‐grained samples and  50‐70 times exceeds the bulk growth rate. It was found that the accelerated phase growth is caused by diffusion  through GB nano‐network and it is rather sensitive to the grain size: the smaller grain size the higher the rate. The  theoretical  analysis  of  the  phase  propagation  kinetics,  accelerated  by  GB  diffusion  has  been  done.  It  allows  calculating the dynamic GB diffusion coefficients in the growing phases.      ………………  DSL181  Mr. Hiroaki Fukaya  Department of Materials, Physics and Energy Engineering,   Graduate School of Engineering, Nagoya University,   Nagoya 464‐8603, Japan   

Diffusion of Ti, V, Nb in Ni3Al at Elevated Temperatures  H. Fukaya1, Y. Murata1, M. Morinaga1, T. Koyama2, W. Hashimoto3, K. Tanaka3 and H. Inui3  1Department of Materials, Physics and Energy Engineering, Graduate School of Engineering,  Nagoya University, Nagoya 464‐8603, Japan  2National Institute for Materials Science (NIMS), Tsukuba 305‐0047, Japan  3 Department of Materials Science and Engineering, Graduate School of Engineering, Kyoto  University, Kyoto    Diffusion of Al replacing elements in the γ’ phase (Ni3Al) is important for considering the properties of Ni‐based  superalloys, which are strengthened by the γ’ phase. Ni3Al consists of four sublattices based on f.c.c. lattice. Three  sublattices of them are occupied by Ni atoms and the other one is occupied by Al atom in the stoichiometric Ni3Al.  As  a  result,  a  Ni  site  is  surrounded  by  8  Ni  sites  and  4Al  sites  as  the  nearest  neighbor  sites,  while  an  Al  site  is  surrounded  by  12  nearest  neighbor  Ni  sites.  So,  the  diffusion  of  alloying  elements  as  the  solute  in  the  γ’  phase  depends strongly on their substitution behaviors in Ni3Al lattice.  In this study, interdiffusion coefficients of Al replacing elements in Ni‐Al‐X (X=Ti,V,Nb) were estimated by a series  of experiments using diffusion couples of Al rich pseudo‐binary systems at three different temperatures of 1423,  1473 and 1523K. In order to obtain interdiffusion coefficients of the pseudo‐binary systems, the experimental data  was analyzed by Saucer and Freise method, and also impurity diffusion coefficients of Ti, V and Nb in Ni3Al were  estimated by applying the Darken‐Manning equation.  The magnitude of interdiffusion coefficient decreased in order of V, Ti and Nb at all three temperatures. Impurity  diffusion coefficients were described by the expressions:  D 4.4 10 1 exp( 422kJ / RT )  Ti = × − − , D 5.3 10 2 exp( 387KJ / RT )  V = × − − , D 2.1 101 exp( 479kJ / RT )  Nb = × − . The  activation enthalpies obtained from the experimental data confirmed the retardation of Ti, V and Nb diffusion in  Ni3Al by the anti‐site diffusion mechanism. These results are consistent with our previous work on diffusion of Re  and Ru in the Ni3Al [2].  [1] A.F. Giamei and D.L. Anton: Metall. Trans. 16A (1985) 1997‐2005.  [2] E. Mabruri, S. Sakurai, Y. Murata, T. Koyama and M. Morinaga: Mater. Trans. 49 (2008)  1441‐1445.  ……………… 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

239

DSL301  Prof. F. M. da Conceição Viana   Faculty of Engineering,  University of Porto,  Portugal    

Interdiffusion in Ni/Al nanometric multilayers  F. Viana 1, S. Simões 1, A. Sofia Ramos2, M.T. Vieira2 and M.F. Vieira1  1CEMUC, Department of Metallurgical and Materials Engineering, University of Porto,  R. Dr. Roberto Frias, 4200‐465 Porto, Portugal  2CEMUC, Department of Mechanical Engineering, University of Coimbra,  R. Luís Reis Santos, 3030‐788 Coimbra, Portugal    Self‐propagating exothermic reactions occurs in multilayer films with alternating layers of a transition metal and a  light element. These systems are very attractive to applications such as brazing or solid‐state diffusion bonding due  to the high velocity of these reactions associated with high heat release rate. Ni/Al multilayer films were deposited  by dc magnetron sputtering from pure nickel and aluminium targets. Films with period of 5, 14 and 30 nm were  produced.  The  asdeposited  films  are  constituted  by  alternate  nickel  and  aluminium  layers  that  upon  thermal  annealing  diffuse  and  react  with  each  other  to  form  intermetallic  compounds.  For  a  particular  system,  the  heat  evolved  during the solid state reactions occurring in the nanometric multilayer thin films depends on the atomic diffusion  distance  (the  layer  thickness)  and  interdiffusion  at  the  layers  interface.  Interdiffusion  is  known  to  occur  during  deposition  with  the  consequent  formation  of  chemically  diffuse  interfaces.  Interdiffusion  in  as‐deposited  films was investigated by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). HRTEM observations reveal  that  intermixing  of  Ni  and  Al  atoms  occurred  during  deposition  of  the  films,  promoting  the  formation  of  NiAl  in  small areas. NiAl formation during deposition is more significant in smaller period thin films and, as a result, the  heat evolved by the solid state reaction is also smaller.     This work was supported by “Fundação para a Ciência e a Tecnologia” through the project PTDC/CTM/69645/2006  and the Grant SFRH/BD/30371/2006 financed by POS_C.      ………………  DSL389  Dr. Ana Sofia Figueira Ramos   Departamento de Engenharia Mecânica  Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra R. Luís Reis Santos  3030‐788 Coimbra, PORTUGAL    VAT 502971142  Reaction‐Assisted Solid State Diffusion Bonding  A.S. Ramos1, M.T. Vieira1, S. Simões2, F. Viana2, M.F. Vieira2  1CEMUC®, Department of Mechanical Engineering, University of Coimbra,   R. Luís Reis Santos 3030‐788 Coimbra, Portugal.  2CEMUC®, Department of Metallurgical and Materials Engineering, University of Oporto,   R. Dr.Roberto Frias, 4200‐465 Porto, Portugal.    The  introduction  of  reactive  multilayer  thin  films  as  interlayer  material  seems  to  offer  a  promising  method  for  similar and dissimilar joining of intermetallics and superalloys. In order to assist in the bonding process the parts to  be  joined  are  coated  with  reactive  multilayer  thin  films  made  up  of  alternating  nanolayers.  Multilayer  thin  films  with nanometric bilayer thickness (period) increase the diffusivity and reactivity at the joint interface. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

240

g‐TiAl  based  intermetallics  and  Ni  based  superalloys  were  coated  by  magnetron  sputtering  with  a  few  microns  thick Ni/Al reactive multilayer thin films with different modulation periods (5, 14 and 30 nm). Diffusion within the  layered structure is promoted during heating and the multilayer thin films react to form intermetallic compounds  with nanometric grain size which should guarantee the thermal and mechanical resistance of the joint. Solid state  diffusion  bonding  was  performed  in  vacuum  at  700  and  800ºC  under  5  MPa  after  stacking  the  coated  materials  with  the  films’  surface  facing  each  other.  The  deposition  of  Ni/Al  reactive  multilayer  thin  films  onto  the  base  material allowed the diffusion bonding process to be carried out at relatively low temperature. Both Al and Ni took  part  in  the  reaction  and,  after  diffusion  bonding  there  is  no  sign  of  the  original  layered  structure.  Sound  joining  without cracks or pores is achieved, especially when a 14 nm period Ni/Al film is used as interlayer material. During  the diffusion bonding experiments interdiffusion and reaction inside the Ni/Al multilayer thin film and between the  interlayer film and the base materials is promoted with the formation of intermetallic phases. From the TiAl side to  the superalloy side the joint’s interface is composed of: diffusion layer I, diffusion layer II, reacted interlayer thin  film,  bond  line,  reacted  interlayer  thin  film,  diffusion  layer  III  and  diffusion  layer  IV.  In  order  to  help  in  the  identification  of the different layers composing the joint, nanoindentation experiments were carried out along a  perpendicular to the bond line.      ………………  VIP‐DSL071  Dr. Giovanni Mazzolai  University of Perugia,   Italy    

Hydrogen Diffusion Coefficient in the Disordered and Ordered Pd3Mn  Compound as Deduced from High Temperature   Hydrogen Absorption Measurements  Giovanni Mazzolai 1,2  1University of Perugia, Department of Physics, Via A. Pascoli 5, 06123 Perugia,Italy       2Telematic University e‐Campus, Via Isimbardi 10, 22060 Novedrate (CO),Italy.    The  Hydrogen  absorption  kinetics  has  been  investigated  by  the  gas‐solid  reaction  method  in  two  bar  shaped  samples of the Pd3Mn compound, which is known to undergo an order‐disorder transition when heated up above  about 800 K [1]. One of the sample, quenched from high temperature, was in a disordered state, the other, which  had  been  very  slowly  cooled  from  1123  K  down  to  room  temperature,  had  an  ordered  L12  structure.  With  the  disordered sample the measurements were carried out from 825 K up to 1038 K; with the second from about 485  K to 666 K. The data on the rate of H absorption, which were analyzed according to the second  Fick’s equation,  provided for the diffusion coefficient of H values exhibiting an exponential temperature dependence. The diffusion  coefficient,  in  agreement  with previous  lower  temperature data obtained by  Gorsky  relaxation  [2] was higher  in  the  disordered  than  in  the  ordered  state.  This  observation  is  accountable  for  in  terms  of  the  different  kinds  of  jumps  that  H  can  make  between  adjacent  interstitial  octahedral  sites  in  the  two  different  states  of  order.  As  a  matter  of  fact,  in  the  disordered  state,  H  long‐range  diffusion  takes  place  preferentially  through  I6‐I6  and  I6‐I5  jumps (sub index indicating the number of Pd atoms located in the shell of the nearest neighbors of an octahedral  interstitial site I), while  in  the  ordered state  the  involved  jumps  are  between adjacent  I4‐I4  and I6‐I4  octahedral  sites.    [1] T. B. Flanagan, A. P. Craft, T. Kuji, K. Baba and Y. Sakamoto, Scripta Metall., 20,  1745 (1986).  [2] B. Sobha, B. Coluzzi, F. M. Mazzolai, T. B. Flanagan and Y. Sakamoto, J. Less‐Common Metals, 172‐174, 254  (1991).      ……………… 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

241

DSL203  Dr. Aloke Paul  Department of Materials Engineering  Indian Institute of Science,  Bangalore – 560012   

Study on the Growth of Nb3Sn Superconductor in (Cu‐Sn)/Nb Diffusion Couple  A.K. Kumar1, T. Laurila2, V. Vuorinen2, A. Paul1*  1. Department of Materials Engineering and Centre for Electronics Design and Technology, Indian Institute of  Science, Bangalore – 560012   2. Electronics Integration and Reliability, Department of Electronics, Helsinki University of Technology, FIN ‐02015  TKK, Finland    Nb3Sn growth following the bronze technique that is by interdiffusion between (Cu‐Sn) bronze alloy and Nb is one  of the important methodologies to produce the superconductor. The confusion over the growth rate is addressed.  Furthermore,  a  possible  explanation  for  the  corrugated  structure  of  the  product  phase  in  the  multifilamentary  structure is discussed. Kirkendall marker experiments are conducted to study the relative mobilities of the species,  which also explains the reason for finding pores in the product phase layer. The movement of the markers after  interdiffusion  reflects  that  Sn  is  the  faster  diffusing  species.  Furthermore,  different  concentrations  of  Sn  in  the  bronze alloy are considered to study the effect of Sn content on the growth rate. Based on the parabolic growth  constant at different temperatures, the activation energy for the growth is determined. We have further explained  the dramatic increase in the growth rate of the product phase by changing just one atomic percentage of Sn in the  Cu‐Sn  bronze  alloy.  Following,  it  was  shown  that  the  diffusion  of  Cu  and  Nb  through  the  product  phase  is  impossible since atoms cannot diffuse against its chemical potential gradient.       ………………  DSL032  Dr. German Anibal R. Castro  Instituto Politécnico Nacional. SEPI‐ESIME U.P Adolfo López Mateos,   Zacatenco México D.F. 07738 México   

Effect of Boriding in the Mechanical Mroperties of AISI 1045 Steel  G. Rodríguez‐Castro 1, I. Campos‐Silva 1 J. Martínez‐Trinidad 1,   U. Figueroa‐López 2, D. Meléndez‐Morales 3, J. Vargas‐Hernández 3  1 Instituto Politécnico Nacional. SEPI‐ESIME U.P Adolfo López Mateos, Zacatenco México D.F. 07738 México.  2 Tecnológico de Monterrey Campus Estados de México, Carretera al Lago de Guadalupe, km. 3.5, Atizapán Edo.  de México 52926, México  3 Instituto Politécnico Nacional. SEPI‐ESIQIE U.P Adolfo López Mateos, Zacatenco México D.F. 07738 México.    Some mechanical properties of AISI 1045 borided steels were estimated in the present work. The boriding process  was  carried  out  by  the  powder  pack  method  at  1223  K  with  8  h  of  treatment.  The  fatigue  strength  on  borided  notched specimens was evaluated with rotating bending tests (R=1) considering a stress concentration factor (Kt)  of  2.53.  Likewise,  the  presence  of  residual  stresses  in  boride  layers  was  established  by  the  XRD  technique.  The  Daimler‐Benz Rockwell C test was used, also, to estimate the strength adhesion of the coated system. The results  show a decrease in the fatigue strength of AISI borided steels due to the presence of high porosity in the layers and  the  influence  of  tension  residual  stresses  at  the  surface  of  the  samples.  Finally,  the  Rockwell‐C  adhesion  test  showed no coating failure for the boride layer.      ………………  DSL192 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

242

Mr. Arijit Laik  Materials Science Division,   Bhabha Atomic Research Centre,   Mumbai ‐ 400 085, India   

Solid State Diffusion Properties of Zr–Al System   A. Laik and K. Bhanumurthy   Materials Science Division, Bhabha Atomic Research Centre, Mumbai–400085, India.     E‐mail: [email protected]    Zirconium based aluminides and their alloys are being proposed for use as structural materials in nuclear reactors  due to their low neutron absorption cross–section, corrosion resistance in aqueous medium, adequate mechanical  properties  and  irradiation  stability.  Therefore  the  study  of  diffusion  behaviour  in  these  alloys  becomes  very  important. Reactive diffusion in the Zr–Al system has been studied in the temperature range of 833K to 898K using  Zr/Al bulk diffusion couples prepared using pre‐annealed pure Zr and Al pieces. The intermetallic phases formed at  the Zr/Al interface was characterised using electron probe microanalyser (EPMA). ZrAl3 was found to form as the  major phase in the interdiffusion zone in all the couples. Zr2Al3 was also found to form, along with, in the diffusion  zone at and above 873K. Due to large difference in diffusion rate between Al and Zr, the Kirkendall pores formed  during  the  process  of  interdiffusion,  got  accumulated  at  the  ZrAl3/Al  interface.  The  integrated  interdiffusion  coefficient  [1,2]  for  ZrAl3  and  Zr2Al3  and  the  average  interdiffusion  coefficient  for  ZrAl3  were  determined  using  the concentration profiles across the diffusion zone, acquired by point‐to‐point quantitative analysis using EPMA.  The  variation  in  activity  of  Al  across  the  intermetallic  compounds  in  the  diffusion  zone  was  plotted  using  the  thermodynamic  properties  of  the  concerned  phases  of  the  Zr‐Al  system.  Thermodynamic  interdiffusion  coefficients,  based  on  the  chemical  potential  gradient,  [3]  for  both  the  phases  were  also  determined.  The  temperature  dependence  of  the  diffusion  coefficients  evaluated  was  in  accordance  with  Arrhenius  relationship.  The  activation  energy  for  interdiffusion  for  the  ZrAl3  was  estimated  to  be  182.6  kJ/mol  and  184.6  kJ/mol  for  average interdiffsion coefficient and thermodynamic interdiffusion coefficients respectively.     [1] M. A. Dayananda, Metallurgical and materials Transactions, 27A, 2504, (1996).  [2] C. Wagner Acta Metall., 17, 99, (1969).  [3]  S. P. Garg, G. B. Kale, R. V. Patil and T. Kundu, Intermetallics, 7, 901, (1999).      ………………  DSL381  Dr. Mangelinck  Institut Matériaux Microéléctronique Nanosciences de Provence,   IM2NP‐CNRS (UMR 6242), Case 142, Faculté de Saint‐Jérôme,   F‐13397 Marseille Cedex, France   

Formation of Ni, Pd and Pt Silicides: Determination of Interfacial Mobility and  Interdiffusion Coefficient by in‐situ Techniques, Role of Stress  D. Mangelinck, K. Hoummada, C. Perrin  1 Institut Matériaux Microéléctronique Nanosciences de Provence, IM2NP‐CNRS (UMR  6242), Case 142, Faculté de Saint‐Jérôme, F‐13397 Marseille Cedex, France    The  kinetics  of  formation  of  the  first  phases  obtained  by  reaction  of  nanometric  metal  thin  film  with  silicon  substrate has been investigated. A method [1] has been developed to measure differential scanning calorimetry of  a thin film on a substrate and was applied to study the silicide formation. In combination with in‐situ and real time  X ray  diffraction experiments, these measurements  have allowed to determine the kinetics of silicide formation.  The  interface  mobililities  and  the  interdiffusion  coefficients  for  Ni2Si,  Pt2Si  and  Pd2Si  have  been  determined  by 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

243

using a model [2] taken into account the nucleation and lateral growth as well as a normal growth controlled by  diffusion  and  interface  reaction.  A  comparison  of  these  kinetic  parameters  for  the  different  silicides  will  be  discussed.  This  first  determination  of  the  interface  mobilities  gives  some  insights  for  the  role  of  interface  in  the  silicide formation. Another important parameter for the silicide formation is the stress. Indeed in‐situ and real time  X ray diffraction experiments have shown that stress influence the silicide formation: the transformation of Ni2Si in  NiSi has been found to depend on the stress relaxation in Ni2Si [3].    [1] Hoummada K., Portavoce A., Perrin‐Pellegrino C., Mangelinck D., and Bergman C., Appl. Phys. Lett. Vol. 92, art.  133109, 2008  [2] K. R. Coffey, L. A. Clevenger, K. Barmak, D. A. Rudman and C. V. Thompson, Appl. Phys. Lett. 55, 852 (1989).  [3] D. Mangelinck and K. Hoummada, Appl. Phys. Lett. 92, 254101 (2008).      ………………  DSL413  Mrs. Alexandra Ioannidou   University of Western Macedonia,  Kozani, GR50100, Greece                                                  

Influence of Additions in the Composite Mg2Ni/M   (where M=TiB2 or V) Metal Hydrides   A. Ioannidou1, S. S. Makridis1, E. Michailidou1, E. S. Kikkinides1 and A. K. Stubos2  1University of Western Macedonia, Kozani, GR50100, Greece                                                 2National Centre of Scientific Research, Athens, GR 15 310, Greece    Metal hydrides have the potential for reversible on‐board hydrogen storage and release at low temperatures and  pressures. They began with the negative electrode of Ni–MH (metal hydride) batteries in 1990 and with fuel cells  (FC) that were developed especially for the emission‐free vehicles. According to the data so far, the hydride alloys  are mostly in the AB2‐type Ti‐ or Zr‐ based alloys and in the AB5‐type of compounds for relatively low temperature  applications. High temperature metal hydrides are based in Mg alloys. The largest challenge today may be to find  hydrogen  storage  solutions.  In  this  research  work,  Metal  hydrides  based  on  Mg,  have  the  advantage  of  safe  hydrogen’s  transfer  under  small  pressure  (~1  bar).  Projects  running  lately  on  Mg‐based  alloys  because  Mg  is  a  promising  material  due  to  the  large  hydrogen  capacity  (up  to  7.6  wt  %),  low  cost  and  non  toxicity.  Ball  milling/mechanical alloying technique is one of the most suitable synthetic methods to prepare Mg‐based alloys.  Mg has high vapor pressures below its melting point, which makes preparation by melting method very difficult.   In  this  research  work,  have  been  developed  nanocomposite  materials  based  on  Mg2Ni/M  (where  M=TiB2  or  V).  The materials have been produced after 40 h of milling under vacuum by using a high energy planetary ball miller.  The  crystal  structure  and  microstructural  properties  of  the  samples  have  been  studied  by  using  an  x‐ray  diffractometer,  having  a  Cu‐Kα  radiation,  and  a  scanning  electron  microscopy,  respectively.  Hydrogen  activation  has  been  performed  on  the  as  milled  samples  for  3  hours  at  300  oC  while  discharging  properties  have  been  investigated by using a Sievert‐type volumetric apparatus.       ………………  DSL513  Mr. Seyed Abdolkarim Sajjadi   Faculty of Materials Science and Metallurgical Engineering.  Sahand University of Technology, Tabriz, Iran   

Processing of Nanocrystalline Ni3Al Powder Using  mechanical alloying technique 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

244

M. Abbasi1, S. A. Sajjadi2, M. Azadbeh1  1Faculty of Materials Science and Metallurgical Engineering.  Sahand University of Technology, Tabriz, Iran  2Department of Materials Science and Metallurgical Engineering,  Engineering Faculty, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran    The  intermetallic  compound  Ni3Al  with  unique  properties  is  widely  used  especially  for  high  temperature  applications. There are different ways for producing the compound. One of them is high‐energy milling technique  using a planetary ball mill which has been employed for producing nanocrystalline powders. In this research Ni3Al  intermetallic  was  prepared  by  mixing  of  pure  elemental  powders.  A  ball‐to‐powder  weight  ratio  of  20:1  and  rotation rate of 550 rpm in argon atmosphere were the main processing parameters. The milling time ranged from  1  to  55  hours.  Changes  in  phase  and  microstructure  as  a  function  of  milling  time  were  investigated,  using  X‐ray  diffraction  analysis  and  scanning  electron  microscopy.  The  results  showed  that  at  the  early  stages  of  milling,  diffraction  peaks  are  sharp.  During  mechanical  alloying  the  sharp  peaks  of  as  received  powder  are  broadened  progressively with increasing processing time associated with accumulated internal strain and refinement of grain  size.  In  the  mean  while  the  intensity  of  peaks  were  lowered  with  mechanical  alloying  time.  After  10  hours  of  milling, Ni3Al peak could be observed but the exact result was at 15 hours. SEM study of the powder at the milling  time of 15 h confirmed homogeneity of the powder. The results revealed that formation of Ni3Al nanocrystallites  occurred after 15 hours milling, and minimum crystallite size was 5 nm at that time.    Key words:  intermetallics, mechanical alloying, nanostructured materials, X‐ray diffraction.       ………………  VIP‐DSL020  Prof. Y. Sohn  University of Central Florida,   USA   

Site Preference and Diffusion in Ni3Al Alloyed with Ir, Ta or Re at 1200°C  N. Garimella, Y.H. Sohn  Advanced Materials Processing and Analysis Center  Department of Mechanical, Materials and Aerospace Engineering  University of Central Florida, Orlando, FL, USA    Diffusion in L12‐Ni3Al with ternary alloying additions of Ir, Ta and Re was investigated at 1200°C using solid‐to‐solid  diffusion couples, and examined with respect to site preference in ordered intermetallic compound. In addition to  determination  of  average  ternary  interdiffusion  coefficients  [1,  2],  average  effective  interdiffusion  coefficients  were determined directly from the experimental concentration profiles. Ni has the largest magnitude of average  effective interdiffusion  coefficient, followed  by  Al, Ir,  Re  and Ta. The  average effective  interdiffusion  coefficients  for  Ir,  Re  and  Ta  are  much  smaller  than  those  for  Ni  and  Al.  Tracer  diffusion  coefficients  determined  by  extrapolation technique, and available literature also followed the same trend. The relative tendency of Ni, Al, Ir,  Re and Ta to occupy the α‐Ni and β‐Al sites are correlated to these diffusion coefficients, with due consideration  for diffusion mechanisms as well as the size and coordination of atoms.    [1] N. Garimella, M. Ikeda, M. Ode, H. Mukarami, Y.H. Sohn, Intermetallics, 16, 1095, (2008).  [2] N. Garimella, M. Ikeda, M. Ode, H. Mukarami, Y.H. Sohn, Journal of Phase Equilibria and Diffusion, in Press,  2009.      ………………  DSL206 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

245

Dr. R. Ravi  Department of Materials Engineering  Indian Institute of Science  Bangalore ‐560012,  India 

  Diffusion Studies in A3B Compound with A15 Structure  R. Ravi, A.K. Kumar and A. Paul  Department of Materials Engineering,  Indian Institute of Science,  Bangalore – 560012    Intermetallic compounds with A15 structure draw special attention because of superconductor application. There  is  a  constant  effort  to  understand  the  defect  structure  and  diffusion  behavior  in  this  structure.  Diffusion  of  elements depends mainly on the structural defects, antisites and vacancies on different sublattices. In this article,  we  shall  discuss  diffusion  of  elements  in  different  compounds.  It  is  predicted  that  Nb  should  be  much  faster  diffusing species compared to Sn in the Nb3Sn compound. Further development lacks because of unavailability of  data  in  binary  Nb‐Sn  system.  However,  indeed  majority  element  is  found  to  be  much  faster  in  V3Si  and  V3Ga  compounds.  On  the  other  hand,  significant  diffusion  rate  is  found  in  Ti3Au  phase.  It  reflects  the  presence  of  different structural defects in different compounds.       ………………  DSL022  Dr. Iman Farahbakhsh   

The Role of Diffusion on Catalyst Design for   Dehydrogenation of Di‐Ethyl Benzene  M. E. Zeynali1, I. Soltani 1, 2  1‐ Petrochemical Faculty,Iran Polymer and Petrochemical Institute P.O. Box: 14965/115. Tehran, I. R. Iran  2‐ Chemical Engineering Group, Research &Development Center, Iran Khodro CO. P.O. Box: 13895/111. Tehran, I.  R. Iran  [email protected]  [email protected]    The  dehydrogenation  of  diethylbenzene  to  divinylbenzene  is  a  catalytic  reaction.  The  catalyst  of  the  dehydrogenation was prepared by coprecipitation of iron and chromium hydroxide from nitrates solution followed  by  doping  with  potassium  carbonate,  and  drying.  For  availability  the  internal  surface  area  of  the  catalyst  for  reactant the pores must be in proper sizes to allow the reactant to diffuse and penetrate inside the catalyst pellets.  The  prepared  catalyst  was  considered  as  a  model  to  investigate  the  role  of  diffusion  in  catalyst  design.  In  this  study  different  mechanisms  of  diffusion  such  as  Knudsen  and  bulk  were  investigated  for  diethylbenzene  diffusion  into  catalyst  and  it  was  concluded  that  the  pore  sizes  should  be  in  the  range  that  permit  transitional  diffusion  (both  Knudsen  and  bulk  diffusion).  The  catalyst  grain  size  can  be  controlled  and  varied  by  different  parameters  such  as  speed  and  time  of  mixing,  type  of  alkali,  temperature  and  pH.  Particle  size  distribution  experiments  were  conducted  for  different  type  of  alkali  and  speed  of  mixing  to  characterize  the  catalyst.  The  effects of grain size formed during coprecipitation on pore size distribution of the catalyst pellet which affect the  effective  diffusivity  were  discussed.  Pore  size  distribution  of  the  model  catalyst  was  obtained  and  the  effective  diffusivities were calculated by numerical integration of Johanson‐Stewart equation.     Keywords: pore size distribution, diffusion, catalyst, coprecipitation   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

246

References  1‐ Chen, S., Sun, A., Qin, Z., and Wang, J., “Reaction coupling of diethylbenzene dehydrogenation with water‐gas  shift over alumina‐supported iron oxide catalysts”, Catalysis communications, 4 (9), 441 (2003).  2‐ Joseph, Y., Wuhn, M., Niklewski, A., Ranke, W., Weiss, W., Woll, C., and Schlogl, R., “Interaction of ethylbenzene  and styrene with iron oxide model catalyst film at low converges: A NEXAFS study”, Phys. Chem.. chem.. phys., 2,  5314 (2000).  3‐ Ye, X., Yue, Y., Miao, C., Xie, Z., Hua, W., and Gao, Z., “Effect of modifiers on the activity of a Cr2O3/Al2O3  catalyst in the dehydrogenation of ethylbenzene with CO2”,  Green Chem., 7, 524 (2005).  4‐ Schule, A., Shekhah, O., Ranke, W., Schlogl, R., and Kolios, G., “Microkinetic modeling of dehydrogenation of  ethylbenzene to styrene over unpromoted iron oxide”, Journal of catalysis, 231, 172 (2005).  5‐ Mimura, N., Saito, M., “Dehydrogenation of ethylbenzene to styrene over Fe2O3/Al2O3 catalysts in the  presence of carbon dioxide,” Catalysis today, 55, 173 (2000).  6‐ Matsui, J., Sodesawa, T., and Nozaki, F., “Activity decay of potassium‐promoted iron oxide catalyst for  dehydrogenation of ethylbenzene”, Applied catalysis, 51, 203 (1989).  7‐ Saito, M., Kimura, H., Mimura, N., Wu, J., and Murata, K., “Dehydrogenation of ethylbenzene in the presence of  CO2 over an alumina‐supported iron oxide catalyst”, Applied catalysis A: General, 239, 71 (2003).  8‐ Liu, W., “Multi‐scale catalyst design”, Chemical Engineering Science, 62, 3502 (2007).  9‐ Bensetiti, Z., Schweich, D., and Abreu, C.A.M., “The sensitivity of the catalyst effectiveness factor to pore size  distribution,” Braz. J. Chem. Eng. 14 (3) (1997).  10‐ Mezedur, M. M., Kaviany, M., and  Moore, W., “Effect of pore structure, randomness and size on effective  mass diffusivity”, AIChE, 48 (1), 15 (2002).  11‐ Zalc, J. M., Reyes, S. C., and Iglesia, E., “Monte‐Carlo simulations of surface and gas phase diffusion in complex  porous structure,” Chemical Engineering Science, 58, 4605 (2003).  12‐ Haynes, H. W., “The experimental evaluation of catalyst effective diffusivity”, Catal. Rev.‐Sci. Eng., 30 (4), 563  (1988).  13‐ Koci, P., Stepanek, F., Kobicek, M., and Marek, M., “Modelling of micro/nano‐scale concentration and  temperature gradients in porous supported catalysts,” Chemical Engineering Science, 62, 5380 (2007).  14‐ Szczygiel J., “Diffusion and kinetics of reaction over bidispersive reforming catalyst,” Computers and chemistry,  24, 203 (2000).  15‐ Szczygiel, J., “Diffusion in bidispersive grain of a reforming catalyst”, Computers and chemistry, 23 (2), 121  (1999).  16‐ Szczygiel, J., “Enhancement of reforming efficiency by optimizing porous structure of reforming catalyst:  Theoretical consideration,” Fuel, 85 (10), 1579 (2006).  17‐ Sahin, E., Dogu, T., and Mortezaoglu, K., “Thermal effects on effectiveness of catalyst having bidisperse pore  size distributions”, Chemical Engineering Journal, 93 (2), 143 (2003).  18‐ Gheorghiu, S., and Coppens, M. O., “Optimal bimodal pore network for heterogeneous catalysis,” AIChE,  Journal, 50 (4), 812 (2004).  19‐ Parachayawarakorn, S., Prakotmak, P., and Soponronnarit, S., “Effects of pore size distribution and pore‐ architecture assembly on drying characteristics of pore networks,” International Journal of heat and mass transfer,  51 (1‐2), 344 (2008).      ………………  DSL137  Prof. Sofoklis S. Makridis  University of Western Macedonia, Kozani,   GR50100, Greece                                                  

Combined Structural and Electronic Analysis and the Effect of Substitutions on  the LaNi5‐Type Compositions for Hydrogen Storage Approaches  A.V. Oikonomou1, S. S. Makridis1, E. S. Kikkinides1 and A. K. Stubos2   1University of Western Macedonia, Kozani, GR50100, Greece                                                

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

247

2National Centre of Scientific Research, Athens, GR 15 310, Greece    To  use  hydrogen  as  a  major  global  energy  carrier,  there  are  several  fundamental  and  technical  problems  to  be  solved. The largest challenge today may be to find hydrogen storage solutions. The compounds of LaNi5‐type are  hydrogen storage alloys that can reversibly absorb and desorb hydrogen at room temperature. They can easily be  activated as well as produce high reacting rate of absorbing and desorbing hydrogen. In order to improve sorption  properties, either A or B in the intermetallic AB5 type of compounds are partially substituted by other elements in  the  simplest  case.  In  this  work,  we  examine  the  effect  of  substitution  for  AB5  type  hydrogen  storage  alloys  by  placing  Sm  and  Co  in  the  sites  of  A  and  B,  respectively.  X‐ray  theoretical  diffraction  has  been  used  to  analyze  LaxSm1‐xNi5,  LaxCe1‐xNi5,  and  La  (NixCo1‐x)5  (x=0,  0.1,…1)  stoichiometries  having  the  CaCu5‐type  of  crystal  structure.  The  effect  of  Sm  substitution  for  La  is  clearer  by  taking  the  intensity  difference  of  the  calculated  patterns. After the full replacement of the La in LaxSm1‐xNi5 composition, the intensity has been increased for the  (011)  plane  around  10  %  while  the  (111)  plane  has  ~3  %  higher  intensity.  Since  knowledge  of  the  electronic  structure  is  of  great  importance  for  a  better  understanding  of  the  structural  details,  being  part  of  the  hydrogenation  process,  the  electronic  properties  of  pure  and  hydrogenated  compounds  LaNi5,  CeNi5,  LaCo5,  SmNi5, and their hydrides have been studied. The generalized gradient approximation (GGA) of PBE [1] is used for  the exchange‐correlation functional.  The  Fermi energy  (EF) slightly  changes  throughout hydrogenation while  the  density of states (DOS) graphs of the investigated systems are describing the number of states at each energy level  that are available to be occupied.     [1] J.P. Perdew, K. Burke and M. Ernzerhof  Phys. Rev. Lett., 77, 3865 (1996)                                                                 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

248

                     

               SPECIAL SESSION: 

Characterization and Properties of Hard  Coatings  ORAGANISED BY:    Prof. Dr. Iván E. Campos Silva   IPN SEPI‐ESIME, MEXICO     Prof. Dr. Ulises Figueroa López   ITESM‐CEM, MEXICO                          VIP‐DSL060  Prof. Oronzio Manca  Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica,  Seconda Universita' degli Studi di Napoli  Real Casa dell'Annunziata, Via Roma 29,  Aversa (CE) 81031, Italy 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

249

 

Natural Convection in Vertical Channels with Porous Media   and Adiabatic Extensions  Bernardo Buonomo, Oronzio Manca, Sergio Nardini  Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica  Seconda Università degli Studi di Napoli  Aversa (CE), Italy  [email protected]    Convective  heat  transfer  in  saturated  porous  media  has  received  considerable  attention  during  the  past  several  decades  because  of  its  wide  range  of  applications.  An  interesting  problem  is  that  of  heat  transfer  in  a  vertical  channel  with two uniformly  heated flat  plates and adiabatic extentions. Numerical investigations can give  useful  information on the effects of the heat flux, the spacing and the adiabatic extensions length.  In this paper, reference is made to natural convection in air in a vertical channel with porous media and the two  principal flat plates at uniform heat flux with adiabatic extensions. The numerical analysis is carried out in laminar,  two dimensional and steady state regime. The physical domain consists of two parallel plates which form a channel  and  the  adiabatic  extensions  collinear  to  the  heated  walls.  Both  plates  are  heated  at  uniform  heat  flux.  The  imbalance between the temperature of the ambient air and the temperature of the heated plates draws a mass of  fluid  into  the  vertical  channel.  The  fluid  between  the  two  plates  is  air.  The  study  is  carried  out  employing  the  Brinkman‐Forchheimer‐extended  Darcy  model  in  two  dimensional.  The  flow  in  the  channel  is  assumed  to  be  two‐dimensional, laminar, incompressible. Boussinesq approximation is considered. The thermophysical properties  of the fluid are evaluated at the ambient temperature (300 K). Results in terms of wall temperature profiles as a  function  of  the  adiabatic  extensions,  the  heat  flux  and  the  channel  spacing  are  presented.  Mass  flow  rate,  wall  temperature and average Nusselt number are presented for different values of characteristic parameters.                DSL092  Mr. Enrique Hernandez Sanchez  Instituto Politécnico Nacional,   Grupo Ingeniería de Superficies,   U. P. Adolfo López Mateos,  Zacatenco México D.F. 07738,  México   

Anistropy of Boride Layers: Effect in the Mechanical Properties   of AISI 4140 Borided Steels  I. Campos‐Silva, E. Hernández‐Sánchez, Y. Dávila‐Montaño, J. Hernández‐Lozada, J. López‐Islas, C. Santos‐Medina  Instituto Politécnico Nacional, Grupo Ingeniería de Superficies, U. P. Adolfo López Mateos, Zacatenco México D.F.  07738, México.    The growth of iron borides over the surface of different steels is of high anisotropy [1]. It was determined that the  anisotropy  of  FeB  and  Fe2B  phases  reveals  a  significant  instability  of  properties  in  service  [2].  One  of  the  techniques  to  determine  the  effect  of  anisotropy  on  the  mechanical  properties  of  iron  borides  is  the  induced‐ fracture  by  microindentation  [3,  4].  During  the  present  work,  the  microindentation  fracture  toughness  (KC)  of  boride layer has been estimated at the surface of AISI 4140 borided steel. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

250

 The  force  criterion  of  fracture  toughness  was  determined  from  the  extent  of  brittle  cracks,  both  parallel  and  perpendicular  to  the  surface,  originating  at  the  tips  of  an  indenter  impression.  The  indentation  loads  were  established  between  1.9  to  9.8  N  at  distances  of  25  and  45  mm  from  the  borided  surface.  The  KC  values  were  expressed as KC (π/2) ˃ KC (0).   Likewise, the adherence of the coated system was evaluated by Rockwell‐C indentation, where the borided steel  showed sufficient adhesion.    [1] G. Wahl, Durferrit‐Technical Information. Reprint from VDI‐Z117 785 (1975).  [2] A.V. Byakova, Poroshkovaya Metallurgiya 4 36 (1993).  [3] G. Ramírez, I. Campos, A. Balankin, Mater. Sci. Forum 553 21 (2007).  [4] I. Campos, R. Rosas, U. Figueroa, C. VillaVelázquez, A. Meneses, A. Guevara, Mater. Sci. Eng. A 475 285 (2008).      ………………  VIP‐DSL009  Prof. I. E. Campos Silva  IPN SEPI‐ESIME,  Mexico   

Properties and Characterization of Hard Coatings Obtained   by Boriding: An Overview  I. Campos‐Silva  Instituto Politécnico Nacional, Grupo Ingeniería de Superficies, U. P. Adolfo López Mateos, Zacatenco México D.F.  07738, México.    The  properties  and  characterization  of  hard  coatings  obtained  by  the  paste‐boriding  process  were  performed  in  this work. The development of boride layers at the surface of different commercial steels were carried out in the  temperature  ranges  of  1123  to  1273  K  with  exposure  times  of  2‐8  h,  using  boron  carbide  paste  thicknesses  between  three  to  five  millimeters  over  the  material  surface.  Depending  upon  the  steel  grade,  temperature,  treatment time and boron carbide paste thickness, two types of layers can be created in the borided samples: a  Fe2B monolayer or FeB/Fe2B bilayer, modifying the physical, mechanical and chemical properties at the material  surface [1‐3].   Different  techniques  were  used  for  the  characterization  of  hard  coatings  such  as  optical  microscopy,  scanning  electron  microscopy  (SEM),  Glow  Discharge  Optical  Emission  Spectroscopy  (GDOES),  X‐Ray  Diffraction  (XRD),  microindentation  fracture  toughness,  measurement  of  residual  stresses  by  XRD,  Atomic  Force  Microscopy,  corrosion  resistance  through  linear  polarization  technique,  adherence  of  the  coated  system  by  Rockwell‐C  indentation  and  fractal  geometry.  These  methods  were  performed  to  characterize  the  nature,  morphology  and  adherence of the boride layers.    [1] I. Campos, O. Bautista, G. Ramírez, M. Islas, J. de la Parra, L. Zuñiga, Appl. Surf. Sci. 243 429 (2005).  [2] I. Campos, R. Rosas, U. Figueroa, C. VillaVelázquez, A. Meneses, A. Guevara, Mater. Sci. Eng. A 475 285 (2008).  [3] I. Campos‐Silva, A. Balankin, A.H. Sierra, R. Escobar‐Galindo, N. López‐Perrusquia, D. Morales‐Matamoros, Appl.  Surf. Sci. 255 2596 (2008).      ………………  DSL065  Prof. Maurizio Vedani  Politecnico di Milano  Dipartimento di Meccanica  Sezione Materiali per applicazioni meccaniche  via La Masa 34, 20156 Milano 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

251

Tel. 0223998638  Fax. 0223998282  Italy   

Plasma Nitriding of Titanium and Titanium Alloys  S.Farè1, N. Lecis1, M. Vedani1, G. Vimercati1  A. Silipigni2, D. Corti2, P.Favoino2  1Politecnico di Milano – Dipartimento di Meccanica, Via G. La Masa 34, 20156 Milano, Italy.  2TAG s.r.l. Via Marconi, 9 23843 Dolzago (Lc) Italy    Titanium and its alloys are extremely interesting materials for engineering applications thanks to the combination  of  several  properties,  like  high  strength,  high  corrosion  resistance  and  light  weight.  Nevertheless,  disadvantages  are  still  present  when  using  titanium  in  applications  that  require  high  tribological  properties  (like  in  biotechnological  and  aerospace  industry).  These  drawbacks  can  be  avoided  by  exploiting  surface  treatment  that  enhance  surface  performance.  Among  surface  treatment,  plasma  nitriding  seems  to  be  the  most  promising  technique for industrial applications because it can form a very hard layer on the surface of the material. Several  studies  have  been  carried  on  and  show  that  is  possible  to  reach  very  high  hardness  value,  up  to  800‐1200  HV.   Atmosphere of treatment, furthermore, seems to play a key role in this process. From literature, it is known that  mainly atomic nitrogen is responsible for saturation of surface layers of titanium. To increase the concentration of  atomic  nitrogen,  it is  necessary  to  add inert  gases  like  He and  Ar,  in order to  promote  dissociation of molecular  nitrogen.   In this work several process parameters are taken into account in plasma nitriding of titanium alloys. The nitriding  atmosphere was investigated considering several gas mixture like argon and helium in different percentage with  nitrogen. Another parameter considered was the nitriding time, ranging from a short treatment of 20 hours, up to  146 hours treatment.  Samples of pure titanium and of Ti6Al4V alloy have been analyzed using GDOES technique (Glow discharge optical  emission spectroscopy) to determine nitrogen concentration profile from the surface; microhardness and scratch  testing  were  adopted  to  evaluate  mechanical  properties  of  the  nitrided  layers.  Optical  and  scanning  electron  microscopy were used to characterize the structure of the samples.       ………………  DSL151  Dr. Jose Martinez‐Trinidad  Instituto Politécnico Nacional,   Grupo Ingeniería de Superficies,   U. P. Adolfo López Mateos,  Zacatenco México D.F. 07738,   México   

Dependence Between the Boron Surface Concentration and the Growth kinetics  of Boride Layers in AISI 4140 Steels  M. Ortiz‐Domínguez, I. Campos‐Silva, J. Martínez‐Trinidad, M. Elías‐Espinosa,   E. Hernández‐Sánchez, D. Bravo‐Bárcenas  Instituto Politécnico Nacional, Grupo Ingeniería de Superficies, U. P. Adolfo López Mateos, Zacatenco México D.F.  07738, México.    The  present  work  estimates  the  growth  kinetics  of  Fe2B  layers  formed  at  the  surface  of  AISI  4140  steels.  The  thermochemical  treatment  was  applied  in  order  to  produce  the  Fe2B  phase,  considering  temperatures  of  1123,  1173, 1223 and 1273 K with four exposure times (2, 4, 6, and 8 h), using a 4 mm layer thickness of boron carbide  paste over the material surface. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

252

The growth of iron boride layers was described by the mass balance equation between phases in thermodynamical  equilibrium, assuming that the boron concentration at the interfaces remains constant [1‐3]. The boron diffusion  coefficient at the Fe2B ( ) and the mass gain at the surface of the borided steels were established as a function of  treatment temperatures.  Finally,  a  simple  relationship  was  proposed  to  describe  the  evolution  of  the  parabolic  growth  constant  at  the  interface as a function of both temperature and boron surface concentration.    [1] C.M. Brakman, A.W.J: Gommers, E.J. Mittemeijer, J. Mater. Res. 6 211 (1989).  [2] I. Campos‐Silva, M. Ortíz‐Domínguez, C. VillaVelázquez, R. Escobar, N. López, Defect and Diffusion Forum 272 79  (2007).  [3] I. Campos, J. Oseguera, U. Figueroa, J. A. García, O. Bautista, G. Kelemenis, Mater. Sci. Eng. A 352 261 (2003).      ………………  DSL352  Prof. C. Choung‐Lii  Department of Mechanical and Electro‐Mechanical Engineering,   Tam‐Kang University, No.151 Ying‐Chuan Road, Tamsui, Taipei Hsien,   Taiwan 251   

Investigation of the Interfacial Reaction between Optical glasses and Various  Protective Films and Mold Materials  C.L. Chao1, C.B. Huo1, W.C. Chou1, T.S. Wu1, K.J. Ma2, Y.T. Chen3, C.W. Chao4  1Department of Mechanical and Electro‐Mechanical Engineering, Tam‐Kang University,  No.151 Ying‐Chuan Road, Tamsui, Taipei Hsien, Taiwan 251  2Department of Mechanical Engineering, Chung Hua University, No. 707, Sec. 2, Wu Fu  Rd., Hsin Chu, Taiwan 30067  3Department of Mechatronic, Energy and Aerospace Engineering, National Defense  University, No. 190, Sanyuan 1st St., Tahsi, Taiwan 33508  4Department of Information Management, Hsing‐Wu College, Lin‐Ko, Taiwan    Glass molding process(GMP) is regarded as a very promising technique for mass producing high precision optical  components  such  as  spherical/  aspheric  glass  lenses  and  free‐form  optics.  However,  only  a  handful  of  materials  can  sustain  the  chemical  reaction,  mechanical  stress  and  temperature  involved  in  the  glass  molding  process.  Besides, almost all of these mold materials are classified as hard‐to‐machine materials. This makes the machining  of these materials to sub‐micrometer form accuracy and nanometer surface finish a rather tough and expensive  task.  As  a  result,  making  mold  life  longer  has  become  extremely  critical  in  the  GMP  industry.  The  interfacial  chemical reaction between optical glass and mold is normally the main reason for pre‐matured mold failure [1][2].  This research aimed to investigate the interfacial chemical reaction between various optical glasses, different anti  stick  coating  designs  and  several  mold  materials.  The  results  showed  that  glass  composition,  coating  design  (composition,  microstructure, thickness...),  environment (vacuum, air or in protective gas), reaction temperature  and  time  could  all  have  profound  effects  on  the  interfacial  chemical  reaction.  Based  on  the  results,  a  design  developed specially for certain glasses is more likely to be the viable way of optimizing the effect of the protective  coating.    [1] A. Jain, G.C. Firestone, and A.Y. Yi, J. Am. Ceram., 88 [9], p.2409 (2005).  [2] K.J. Ma, H.H. Chien, C.L. Chao and K.C. Hwang, Key Engineering Materials, Vols. 364‐366, p.655 (2008).      ………………  DSL364  Prof. Ma Kung‐Jeng  

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

253

chool of Science and Engineering, Chung Hua University,   No. 707, Sec. 2, Wu Fu Rd., Hsin Chu, Taiwan 30067   

The Effect of TaN Interlayer on the Performance of Pt‐Ir   Protective Coatings in Glass Molding Process  Hsi‐Hsin Chien1, Kung‐Jeng Ma1, Jane‐Huang Kuo1, Zen Bong Huo2, Choung‐Lii Chao2, and Ying‐Tung Chen3  1School of Science and Engineering, Chung Hua University, No. 707, Sec. 2, Wu Fu Rd., Hsin Chu, Taiwan 30067.  2Department of Mechanical and Electro‐Mechanical Engineering, Tam‐Kang University, No.151 Ying‐Chuan Road,  Tamsui, Taipei Hsien, Taiwan 251.  3Department of Mechatronic, Energy and Aerospace Engineering National Defense University    Glass molding process provides a great potential for mass production of precise glass optical components at low  cost. The key issue for achieving a low production cost is to extend the service life of the expensive mold inserts.  The  precious  metal  based  alloy  is  one  of  the  coating  materials  for  the  molds  which  provide  excellent  glass  anti‐ sticking results. However, the inter‐diffusion between the WC/Co mold materials and precious metal coatings will  deteriorate the coatings which need to be resolved. It is essentially to deposit an interlayer as the diffusion barrier  to improve inter‐diffusion problem.  A  thin  layer  of  TaN  was  deposited  on  the  WC/Co  substrate  as  the  diffusion  barrier  using  magnetron  sputtering  system,  and  followed  by  the  deposition  of  Pt/Ir  multilayer  as  the  protective  layer.  Low  Tg  Glass  gobs  (L‐BAL  42)  were  placed  on  the  coated  substrate  to  investigate  inter‐diffusion  between  the  substrate  and  coating  at  high  temperature.  The  surface  interaction  between  the  glass  gobs  and  protective  coatings  was  also  examined.  The  obtained  TaN  film  had  dense  nano‐crystalline  structure  with  (110)  preferred  orientation.  High  temperature  wetting  tests  showed  that  the  TaN  film  could  effectively  resist  the  cobalt  diffusion  into  the  precious  metal  protective layer and, as a result, minimized the possibility of interaction between glass and protective coating. The  coated substrates remained good surface finish and the glass gobs stayed fully transparent after 12 hours wetting  test at 580oC.      ………………  DSL031  Dr. Sujira Promnimit  Naresuan University,   Phitsanulok, 65000, Thailand   

Thin Film Multilayers and its Properties by Self‐Organization of Nanoparticles  S. Promnimit1 and J. Dutta2   1Naresuan University, Phitsanulok, 65000, Thailand.  2Asian Institute of Technology, Pathumtani, 12120, Thailand.    In this work, we report multilayer thin film devices based on self‐organized colloidal nanoparticles through Layer‐ by‐Layer (LbL) technique [1].  Nanoparticles are self‐ organized into assemblies to create novel nanostructures is  getting  increasing  research  attention  in  microelectronics,  medical,  energy,  and  environmental  applications.  The  nanoparticles are considered to be the building blocks for novel devices.    Directed self‐organization of nanoparticles [2] into multilayer thin film was achieved through LbL growth through  the interaction of charges of colloidal nanoparticles on any kinds and shapes substrate. Multilayer thin film devices  were  fabricated  using  multilayers  of  conducting  (gold)  nanoparticles  separated  by  a  dielectric  nanoparticle  (zinc  sulphide).  The  obtained  thin  films  have  studied  extensively  and  the  surface  morphology,  changes  in  the  optical  absorption  characteristics,  thickness,  uniformity,  adhesion,  and  conduction  behavior  will  be  reported.  Current  voltage  (I‐V)  characteristics  of  multilayer  devices  with  an  increasing  number  of  deposition  cycles  show  an  initial  current  blockade  until  an  onset  voltage  value,  which  increases  linearly  upon  the  addition  of  the  number  of  the  layers  stacked  in  devices  [3].  A  conductive  behavior  of  the  device  could  be  observed  after  exceeding  the  onset 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

254

voltage.  Moreover,  the  current‐voltage  behavior  showed  that  the  conduction  onset  voltage  increases  linearly  depending  on  the  numbers  of  layers  in  the  final  device  controlled  by  the  deposition  cycles.  Systematic  I‐V  characteristics  in  the  forward  and  reverse  biased  conditions  demonstrated  rectifying  behaviors  in  the  onset  of  conduction voltage which makes these films attractive for future electronic devices.    [1] R. K. Iler, J. Colloid Interf Sci., 21, 569 (1966).  [2] J. Dutta and H. Hofmann, In Encyclopedia of nanoscience and Nanotechnology, H. S. Nalwa, Ed. American  Scientific Publishers, 9, 617 (2004).  [3] S. Promnimit, S.H.M. Jafri, D. Sweatman and J. Dutta, JNO., 3, 184 (2008).      ………………  DSL037  Dr. Alfonso Meneses Amador  Instituto Politécnico Nacional.   SEPI‐ESIME U.P Adolfo López Mateos,   acatenco México D.F. 07738 México.    Residual stresses obtained in AISI 1018 borided steels  A. Meneses‐Amador 1, I. Campos‐Silva 1, J. Martínez‐Trinidad 1,   G. Rodríguez‐Castro1  1 Instituto Politécnico Nacional. SEPI‐ESIME U.P Adolfo López Mateos, Zacatenco México D.F. 07738 México.    In  this  work,  thermal  residual stresses  were  evaluated at  the surface  of  AISI 1018 borided steels.  The  treatment  was  developed  by  means  of  the  boriding  powder  technique  at  temperatures  of  1123,  1173  and  1223  K  with  exposure times of 4, 6 and 8 h. The residual stresses on the layers were measurement by the XRD technique using  the “XSTRESS3000” equipment. The ψ tilt angles are fixed between ‐45° to +45° and the φ angles were established  in 0 and 90°. The results show the presence of tension and compressive residual stresses on the surface of borided  steels. Also, the magnitude and the behavior of the stresses profile are related by the temperature, treatment time  and the rotation angle φ.      ………………  DSL139  Mrs. Hanis Ayuni Mohd Yusof  Centre of Nanotechnology,  Precision and Advanced Materials,   Mechanical Engineering Department,  University of Malaya, Malaysia   

Superplastic Boronizing of Duplex Stainless Steel through   Dual Compression Method   H.A.M. Yusof1, I. Jauhari1, N.H.A. Aziz1  1Centre of Nanotechnology, Precision and Advanced Materials, Mechanical Engineering Department, Faculty of  Engineering, University Malaya, 50603 Kuala Lumpur, Malaysia.    Superplastic  boronizing  (SPB)  is  a  process  that  combines  boronizing  with  superplastic  deformation.  The  basic  principle of superplastic boronizing process is to conduct boronizing while the specimen is undergoing superplastic  deformation [1]. In this work, superplastic boronizing (SPB) of duplex stainless steel (DSS) under dual compression  mode  has  been  studied.  Dual  compression  method  is  a  process  with  combination  of  two  compression  method.  Here, the first step of compression method for superplastic deformation was focused only at the surface asperities  of the specimen with no obvious bulk deformation to the specimen after the SPB. This process was conducted on 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

255

duplex stainless steel (DSS) which has been thermo‐mechanically treated to obtain fine grain microstructure and  exhibit  superplasticity.  Effort  was  being  put  in  obtaining  hard  surface  through  SPB  by  focusing  on  the  surface  roughness, initial pressure and powder size effects. SPB was conducted at 1223 K, with various time of boronizing  under  three  different  surface  roughness,  Ra  (0.9  μm,  0.1  μm,  and  0.03  μm),  three  different  initial  pressure  (25  MPa, 49 MPa, and 74 MPa) and four different boron powder particle sizes (20 μm, 45 μm, 150 μm, and 850 μm)  conditions. Through the SPB method, boronizing properties were improved and boronizing time was shortened [2].  The second step of compression method for superplastic deformation process concentrates on the deformation of  bulk  material  by  applying different  strain rate (1 x  10‐2  s‐1  and  1  x 10‐3 s‐1)  at  various  processing  time. Several  samples  from  the  first  method  were  chosen  for  this  bulk  deformation  process  and  the  process  occurs  without  applying boron powder. This method is believed can produced thick boride layer with high hardness.  Comparison  study  using  as‐received  DSS  with  coarse  microstructure  also  was  performed,  with  results  confirming  the  contribution of superplasticity to the SPB process.    [1] C.H. Xu, J.K. Xi, W. Gao, Scipta Materialia, 34, 455 (1996).   [2] R. Hassan, I. Jauhari, H. Ogiyama, and R.D. Ramdan, Key Engineering Materials, 326‐328, 1233 (2006).      ………………  DSL403  Prof. Branko Skoric   University of Novi Sad, Novi Sad, Trg D. Obradovica 6, SRB    Characterization of Hard Coatings Modificated with Nitrogen Implantation   B. Skoric, D. Kakas, A. Miletic   University of Novi Sad, Novi Sad, Trg D. Obradovica 6, SRB.    In this paper, we present the results of a study of TiN films which are deposited by a Physical Vapor Deposition and  Ion Beam Assisted Deposition. In the present investigation the subsequent ion implantation was provided with N2+  ions.  The  ion  implantation  was  applied  to  enhance  the  mechanical  properties  of  surface.  The  film  deposition  process exerts a number of effects such as crystallographic orientation, morphology, topography, densification of  the  films.  The  evolution  of  the  microstructure  from  porous  and  columnar  grains  to  densel  packed  grains  is  accompanied  by  changes  in  mechanical  and  physical  properties.  A  variety  of  analytic  techniques  were  used  for  characterization, such as scratch test, calo test, SEM, AFM, XRD and EDAX. The experimental results indicated that  the  mechanical  hardness  is  elevated  by  penetration  of  nitrogen,  whereas  the  Young’s  modulus  is  significantly  elevated.  Thin  hard  coatings  deposited  by  physical  vapour  deposition  (PVD),  e.g.  titanium  nitride  (TiN)  are  frequently used to improve tribological performance in many engineering applications. Ion bombardment during  vapour  depositionof  thin  films,  colled  ion  beam  assisted  deposition  (IBAD),  exerts  a  number  of  effects  such  as  densification,  changes  in  grain  size,  crystallographic  orientation,  morphology  and  topography  of  the  films.  This  paper  describes  the  successful  use  of  the  nanoindentation  technique  for  determination  of  hardness  and  elastic  modulus. In the nanoindentation technique, hardness and Young’s modulus can be determined by the Oliver and  Pharr method. Therefore, in recent years, a number of measurements have been made in which nanoindentation  and AFM have been combined.     [1] K. Mogensen, N. Thomsen, S. Esikilden, C. Mathiasen and J.Bottiger, Surface and Coatings Technology 99, 140  (1998).  [2] W. Ensinger,Surface and Coatings Technology 99, 1 (1998)   [3] J.C.A. Batista, C. Godoy, A.  Matthews,  A. Leyland, , Surface Engineering, 9, 37 ( 2003).      ………………  VIP‐DSL033  Prof. Huseyin Cimenoglu 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

256

Department of Metallurgical and Materials Engineering,  Istanbul Technical University, 34469, Maslak,  Istanbul, Turkey   

The Effect of Oxidation on The structure and Mechanical   Properties of (Zr, Hf)N Coatings  Erdem Atar1, E. Sabri Kayali2 and Huseyin Cimenoglu2*  1 Gebze Institute of Technology, Material Science and Engineering Department, 41400, Gebze, Kocaeli, Turkey  2  Istanbul Technical University, Department of Metallurgy and Materials Engineering, 34469, Ayazaga, Istanbul,  Turkey    In the present study, the effect of oxidation on the structure and the mechanical properties of ternary (Zr, Hf) N  coatings, whose Hf content was varied between 0 and 21 wt.%, has been systematically examined. Coatings were  applied on AISI D2 tool steel plates by arc physical vapor deposition (PVD). Oxidation was conducted at 400oC for  times up to 12 h in air.  Ternary (Zr, Hf)N coatings are found to be more susceptible towards oxidation compared to  binary  ZrN  coating. Thermal oxidation results  in  the  formation  of a  mixed  ZrO2 and  HfO2  oxide layer.   Hardness  measurements revealed that the hardness values of Hf free and Hf alloyed coatings were very close to each other.  However,  the  change  in  Hf  content  of  the  coating  was  accompanied  by  an  increase  in  critical  cracking  load  determined  by  the  scratch  test.  Upon  oxidation  for  times  up  to  12  h,  (Zr,  Hf)N  coatings  exhibited    a  gradual  decrease in hardness, on the other hand, showed an increase in the scratch adhesion. The beneficial effect of Hf on  mechanical properties decreased upon oxidation when compared to as‐deposited state.     Keywords: Adhesion, Coating, Hardness, Hafnium, PVD, ZrN,     *Corresponding author:  Tel: +90‐212‐285‐6834  Fax: +90‐212‐285‐3427  E‐mail: [email protected]      ………………  DSL148  Dr. Keddam Mourad  Faculté de Génie Mécanique et Génie des Procédés,   Département de S.D.M, B.PN°32, 16111, U.S.T.H.B,  El‐Alia, Bab‐Ezzouar, Algiers, Algeria   

An Approach for Analyzing the Growth Kinetics of Fe2B Phase on AISI 1018 Steel  M. Keddam  Faculté de Génie Mécanique et Génie des Procédés, Département de S.D.M, B.PN°32, 16111, U.S.T.H.B, El‐Alia,  Bab‐Ezzouar, Algiers, Algeria.    A  simulation  of  the  growth  kinetics  of  iron  boride  forming  on  AISI  1018  carbon  steel  was  performed  using  a  simplified  kinetic  model.  This  model  including  the  effect  of  the  incubation  time  during  the  formation  of    iron  boride, was applied in order to evaluate the parabolic growth constant at the ( ) interface depending on the paste‐ boriding  parameters  such  as  the  process  temperature  and  the  boron  potential  reflected  by  the  corresponding  value  of  the  boron  surface  content.  The  simulation  results  were  found  to  be  in  a  good  agreement  with  the  experimental data derived from the literature [1]. It was possible to establish a relationship between the parabolic  growth constant and the boron potential at a given temperature.   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

257

Keywords: Boriding, Fe‐B binary system, Iron boride, Parabolic growth constant.    [1] I. Campos‐Silva, M. Ortiz‐Dominguez, C. VillaVelazquez, R. Escobar, N. Lopez, Defect and Diff. Forum, 272,79‐86,  (2007).      ………………  DSL173  Prof. T. Aabu Bakar   NCPST and MPRC,   Dublin City University,   Dublin‐9, Ireland   

Mechanical Performance of the Annealed NiTi Shape Memory Alloy Coating  onto 316L Stainless Bio‐Steel  T. A. A. Bakar 1*, M. Rahman 2, D. P. Dowling 2, M. S. J. Hashmi 1 J. Stokes 1,  1 NCPST and MPRC, Dublin City University, Dublin‐9, Ireland.  2 School of Electrical, Electronic & Mechanical Engineering, University College Dublin, Dublin‐4, Ireland.    This  paper  presents  the  mechanical  performance  of  the  annealed  NiTi  Shape  Memory  Alloy  (SMA)  coating  deposited  onto  316L  stainless  steel  substrate.  The  as‐deposited  SMA  coating,  Ni55.87Ti44.13,  showed  an  amorphous  behaviour.  A  crystalline  NiTi  (SMA)  coating  was  produced  by  annealing  the  deposited  coatings  in  a  vacuum  furnace  using  argon  inert  gas.  The  annealed  NiTi  coatings  were  characterised  to  investigate  their  tribological potential as an interlayer to the hard coating. The NiTi phases and structure were determined by x‐ray  diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscope (AFM). The crystallisation and  the transformation temperature of NiTi SMA coatings were investigated using the differential scanning calorimetry  (DSC)  and  the  mechanical  properties  by  Rockwell  C  adhesion  test,  scratch  test  and  wear  test.  The  effects  of  the  annealing  treatment  on  adhesion  and  wear  properties  were  studied  using  the  SEM  and  the  EDX.  The  results  showed that crystalline NiTi coatings annealed above the coatings crystallisation temperature, 600 ºC for durations  of  30  minutes  exhibited higher  elastic performance,  thus  reducing wear effects applied.  Adding a  hard  top  layer  would  potentially  provide  a  hard  coating  with  an  interlayer  capable  of  absorbing  impact  which  would  be  very  suitable for ball joints used in hip replacement therapy [2].    [1] N. W. Botterill and D. M. Grant, Mater. Sci. Eng. A, 378, 424‐428, (2004).  [2] Y.Zhang, Y. Cheng and D.S. Grummon, Mater. Sci. Eng. A, 438‐440, 710‐713, (2006)      ………………  DSL176  Mrs. Ivonne Infante Danzo  Department of Materials Science and Engineering,   Ghent University, Technologiepark 903,  B‐9052 Gent, Belgium   

Characterization of Intermetallic Compounds Formed During Hot Dipping of  Electrical Steel in a Hypo‐Eutectic Al‐Si Bath  I. Infante Danzo1, K. Verbeken1 and Y. Houbaert1  Department of Metallurgy and Materials Science, Ghent University  Technologiepark 903, B‐9052 Gent, Belgium   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

258

In  order  to  improve  the  magnetic  properties  of  electrical  steel,  it  may  be  desirable  to  increase  the  Si  and/or  Al  content of the steel. An alternative route to do so is through the application of an Al‐Si‐rich coating on the steel  substrate using a hot dipping process, followed by diffusion annealing. Previously, a number of experiments were  performed by dipping in pure Al, Al + 10 wt.‐%Si (hypoeutectic composition) and Al + 25 wt.‐% Si (hypereutectic  composition).  After  series  of  dipping  experiments,  followed  by  the  evaluation  of  the  coating  and  of  the  formed  intermetallic  phases,  the  use  of  a  hypoeutectic  Al‐Si‐bath  was  recommended,  because  of  certain  advantages:  hypoeutectic  concentrations  allow  lower  dipping  temperatures  and  reduce  the  formation  of  ordered  Fe‐Si‐ structures  causing  brittleness  in  the  coating  and  substrate.  The  present  work  reports  on  new  results  concerning  the  hot  dipping  in  hypoeutectic  bathes.  An  Al  +  1  wt.‐%Si  bath  was  used  to  coat  electrical  steel  substrates  with  different silicon contents with dipping times, varying between 0 to 20 seconds, after a preheating of the samples to  a temperature of 700 °C. A thorough characterization of the formed intermetallics was made by Scanning Electron  Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and X‐Ray Diffraction (XRD). Three different compounds  were identified as Fe2Al5, FeAl3 and a nearly pure Al phase. Their compositions were in good agreement with the  results reported in literature obtained in other types of experiments.       ………………  DSL244  Mr. Seong‐JunLee  Mokpo maritime university, Mokpo‐city,   Jeonnam 530‐729, South Korea   

A Study on Cavitation and Erosion Corrosion Behavior of Zn Thermal Spray  Coated Material in Sea Water Environment  S.J. Kim1, T.Y. Jang2, Y.J Seo3, S.J. Lee4  1,4 Mokpo maritime university, Mokpo‐city, Jeonnam 530‐729, South Korea  2 Hyuksung industry, Seong Nam‐city, Gyeonggi, South Korea  3 TaeKyung industry, Mokpo‐city, Jeonnam 530‐729, South Korea    The cavitation and erosion corrosion implies damage to materials due to the shock pressure by bubbles form and  collapse at a metal surface [1]. Ship’s hull is typically protected by coating system, sacrificial anode protection and  impressed current cathodic protection (ICCP) system. However, ship’s aft is exposed to more severe environment  such as tide, velocity of ship, cavitation and erosion corrosion. Therefore, we conducted thermal spray coating to  get the much excellent electrochemical and anti‐cavitation characteristics in sea water environment [2~3].  In  this  study,  cavitation  damage  was  investigated  by  using  the  piezoelectric  vibrator  with  20KHz,  50㎛to  cavity  generation  apparatus.  The  cavitation‐erosion  tester  was  manu‐factured  according  to  ASTM‐G32.  The  cavitation  behavior of thermal spray coated specimens was examined with the point of weight loss measurement and surface  morphology  observation.  The  base  metal  by  thermal  spray  coating  protected  in  sea  water.  The  erosion  rates  of  coating considerably increased at the initial stage of cavitation test in sea water. The weight loss in sealed for Zn  thermal spray coating was smaller than that of Zn thermal spray coating.    Acknowledgement: This research was supported by R&D fund of Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs  of Korean government.     [1] S. K. JANG, S. C. KO, M. S. HAN, S. J. KIM. Interfinish 2008, p 533 (2008)   [2] S. J. KIM, J. Y. JEONG, J. I. KIM. Journal of ceramic processing research, Vol. 8, No. 3, p 296‐299  (2007)  [3] J.J. KIM, J.S. PARK, S.B. JOON, J. Corrs. Sci. Soc. of Korea, Vol. 20, No. 2, p132~138, (1991)      ………………  DSL190  Prof. Arvaidas Galdikas 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

259

 Physics Department,  Kaunas University of Technology,  Kaunas (Lithuania)    

Analysis of depth profile components at the Interface of Ti6242 Alloy and SiC,  SixNy Coatings after High Temperature Oxidation in Air  A.Galdikasa, J.P.Rivièreb, T.Moskaliovienea L.Pichonb  (a) Physics Department, Kaunas University of Technology, Kaunas (Lithuania)   (b) Laboratoire de Physique des Matériaux, University of Poitiers, Poitiers (France),    We have analyzed the interfacial elemental depth profile evolution after high temperature isothermal oxidation of  SixCy and SixNy protective coatings deposited by dynamic ion mixing on a Ti6242 alloy (Ti‐6Al‐2Sn‐4Zr‐2Mo). The  amorphous SixCy (x/y~1,1) and SixNy (x/y~2) coatings 0,25‐0,21mm thick respectively were produced by sputtering  SiC and Si3N4 targets with a 1,2 keV Ar+ ion beam and the growing films were bombarded with 120 keV Ar+ ions.  Isothermal oxidations tests have been carried out at 600°C during 100 hours in 1 atm flowing synthetic air (80%  N2,  20%  O2).  The  structural  modifications  consist  principally  in  the  formation  of  SiO2  at  the  surface  and  TiSi  compounds at the interface.   We  have  observed  a  non‐monotonous  depth  distribution  of  zirconium  in  GDOES  and  SIMS  depth  profiles  after  oxidation of SiC/Ti6242 and SiN/Ti6242 and we propose a kinetic model based on rate equations for analyzing the  results. This model includes microprocesses taking place during oxidation in air such as: adsorption of nitrogen and  oxygen,  diffusion  of  components  through  the  film  and  interface,  formation  of  chemical  compounds.  The  calculations  are  based  on  a  monolayer  approach  where  the  equations  are  written  for  each  component  in  each  monolayer.  It  is  shown  by  modeling  that  non‐monotonous  depth  profile  of  zirconium  occurs  because  zirconium  from Ti6242 alloy is forming a zirconium nitride compound when nitrogen atoms reach the film/alloy interface. As  a  result  the  atomic  concentration  of  zirconium  decreases  at  the  interface  which  induces  a  diffusion  flux  of  zirconium from the bulk to the interface. This process leads to the increase of the total amount of zirconium at the  film  interface  and  thus  formation  of  non‐monotonous  depth  profile.  It  is  shown  that  the  process  of  zirconium  nitride formation at the interface plays an important role and acts as a protective barrier for further penetration of  nitrogen atoms into the Ti6242 alloy.       ………………  DSL199  Dr. Pranesh Sengupta  Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik;  Ruhr Universität Bochum, D‐44780 Bochum,   Germany   

Development of Functionally Graded Composite Coating on Alloy 690 using PLD  (Pulsed Laser Deposition) Technique  P. Sengupta1, 2. H.‐W. Becker3 and S. Chakraborty1   1Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik; Ruhr Universität Bochum, D‐44780 Bochum, Germany  2Materials Science Division, Bhabha Atomic Research Centre, Mumbai 400 085, India  3Fakultät für Physik und Astronomie; Ruhr Universität Bochum, D‐44780 Bochum, Germany    Superalloy  690  (Ni:  58.0  min.,  Cr:  27.0  –  31.0,  Fe:  7.0‐  11.0,  C:  0.05  max.,  Mn:  0.50  max  etc.;  all  in  wt%)  is  extensively used in waste vitrification plants as the material of construction for melter pot, thermowell, electrodes,  pour  spout  assembly  etc.  Fast  degradation  and  premature  failure  of  these  components  under  harsh  service  conditions not only make the processes more expensive, they also pose serious problems in storage and disposal  of  the  metallic  waste.  The  sought  solution  to  these  problems  is  enhancement  of  the  life  span  of  the  metallic  components as  much  as  possible.  In  a  step toward this  goal,  we  have coated  Alloy  690  with  functionally  graded 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

260

Yttria‐stabilized Zirconia (YSZ) using a Pulsed Laser Deposition technique. Successive layers of 10 – 100 nanometer  scale thin films of different compositions were deposited on the alloy using excimer laser (193 nm) for ablation of  sintered target materials of desired compositions. Relevant experiments have been carried out in the laboratory  under  controlled  atmosphere.  Small  Alloy  690  coupons  coated  with  functionally  graded  YSZ  thin  films  were  exposed  to  different  temperatures  (800  –  1200°C)  for  different  times  (1  –  6  hours).  In  each  case,  the  interfaces  were characterized using Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS). This allows us to resolve and analyze the  compositions of phases at the nanometer scale. Further, to compare the performances of coated Alloy 690 with as  received ones under partially simulated plant conditions, thin films of sodium barium borosilicate base glass were  deposited and the samples were also annealed and observed with RBS as well as SEM and white light interference  microscopy. Results obtained from these experiments will be presented.      ………………  DSL237  Prof. Jolanta Baranowska  Westpomeranian University of Technology, Szczecin,   Piastów 19, PL70‐310, Poland   

The kinetics of Gas Nitrided Layer Growth on Austenitic Stainless Steel  J. Baranowska  Westpomeranian University of Technology, Szczecin, Piastów 19, PL70‐310, Poland.    Austenitic  stainless  steel  is  commonly  used  in  many  industrial  applications  thanks  to  its  very  good  corrosion  resistance.  However,  these  applications  are  limited  due  to  relatively  low  mechanical  response  of  this  steel.  The  nitriding  is  one  of  the  typical  treatments  used  to  overcome  these  disadventages.  In  case  of  austenitic  stainless  steel  the  low  temperature  nitriding  (at  temperature  below  500°C)  is  a  very  promising  process,  which  allows  the  hard and corrosion resistant layers to be obtained thanks to formation of a so‐called S‐phase [1]. The growth of the  layers in these conditions is very specific and not yet explained. The kinetics of layer growth is much higher than it  could  be  explained  by  nitrogen  diffusivity  in  austenite,  and  usually  it  is  attributed  to  high  energetic  state  of  nitrogen plasma used in the process [2, 3].  The  paper  presents  the  results  of  investigations  on  gas  nitrided  austenitic  stainless  steel.  The  treatment  was  conducted for various temperatures (400‐570°C), gas compositions of atmospheres used (20‐100% NH3) and times  (0.5‐12h).  The  layers  were  investigated  by  X‐ray  diffraction,  Light  and  Electron  Microscopy  and  Glow  Discharge  Optical  Spectrometry.  The  kinetics  of  layer  growth  has  been  analysed  in  terms  of  the  process  parameters  and  compared  to  the  data  presented  for  plasma  treated  steel.  The  specific  nitrogen  profiles  of  nitrided  layers  is  discussed in the context of layers’ microstructure and phase composition.    [1] K. Ichii, K. Fujimura, T. Takase. Tech. Rep. Kansai. Univ. 27, 135 (1986).  [2] A.Brokman, F.R. Tuler. J.Appl.Phys. 1, 52, 468 (1981)  [3] L.Pranevicius, C.Templier, J.P.Rivier, at al. Surf. Coat. Techn. 135, 250 (2001)      ………………  DSL377  Prof. Constantina Kollia  National Technical University of Athens, School of Chemical Engineering,   Laboratory of General Chemistry, 9, Iroon Polytechniou Str.,   Zografou Campus 15780, Greece   

Pulse Electrolysis for the Production of Hard Ni/TiO2‐ZrO2 Composite Coatings  I. Deligkiozi, M.M. Dardavila and C. Kollia  National Technical University of Athens, School of Chemical Engineering,  

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

261

Laboratory of General Chemistry, 9, Iroon Polytechniou Str., Zografou Campus 15780, GR.    The  electrolytic  codeposition  has  withdrawn  the  interest  as  an  alternative  method  for  the  preparation  of  metal  matrix  composite  electrocoatings  (MMCs)  with  improved  properties.  The  isotropy  of  the  properties  of  the  composite  electrocoatings  depends  directly  on  the  incorporation  percentage  and  the  uniform  distribution  of  chemically inert particles, such as carbides or oxides, into the metal matrix. Moreover, the application of a current  periodically varied by time during electrodeposition, i.e. pulse current (P.C.) instead of the commonly used direct  current (D.C.), has been proved that leads to the preparation of surfaces with well‐defined properties [1, 2].  In this work nickel matrix composite electrocoatings including oxides of elements of the group “4” of the periodic  table as particulate matter, i.e. TiO2 and ZrO2 particles, were produced under direct and pulse current conditions.  A Watts type bath was used as electrolytic bath and the Ni/TiO2‐ΖrO2 electrocoatings were deposited on rotated  brass  electrodes.  The  synergetic  action  of  both  the  pulse  application  and  the  simultaneous  codeposition  of  two  different  types  of  particles  on  the  structure,  the  morphological  characteristics  and  the  microhardness  of  the  composite electrocoatings, was studied.   It was found out that the codeposition of both the TiO2 and ZrO2 particles into the metal matrix is successful. The  variation  of  the  pulse  current  parameters  together  with  the  codeposition  of  the  particles  selectively  on  the  crystalline boundaries influences the texture of the deposits, modifying the particles incorporation percentage and  their distribution in the matrix. This ascertainment also influences the properties of the composite electrocoatings;  it was measured that increases threefold the Vickers microhardness of P.C. electrodeposits in comparison with the  values taken under conventional electrolysis conditions.    [1] Wei Wang, Feng‐Yan Hou, Hui Wang, He‐Tong Guo, Scripta Materialia 53, 613 (2005).   [2] C. Kollia, C. Patta, P. Vassiliou, V. Kasselouri, Revista de Metalurgia‐Madrid,svp. 227 (2005).       ………………  DSL453  Mr. hamid Bolvardi   Faculty of Mechanical Engineering,  K.N. Toosi University of Technology,  Tehran, Iran   

Effects of Load and Sliding Speed on Tribological   Behavior of Plasma Sprayed   Bronze‐Alumina coatings  H.Bolvardi , H.Khorsand1, P.Movahed1, A.Etaati1   1Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.    Metal  matrix  composites  are  advanced  composite  materials  that  exhibit  tremendous  potential  for  a  number  of  important applications in all sectors. Furthermore, bronze materials are high potential copper alloys comprise of  good  wear  resistance,  fatigue  resistance,  corrosion  resistance,  etc.  These  alloys  are  widely  used  in  many  engineering  applications.  They  offer  easier  processing  as  compared  with  titanium,  and  lower  density  compared  with steel. Among the most recent surface modifications techniques, plasma spray has been successfully applied to  these coatings. In this  investigation, an attempt has  been  made  to analyze  the  sliding  wear  response  of  Bronze‐ Alumina coats over a range of applied pressures and sliding speeds. Wear processes are discussed in the light of  the microstructural observations combined with wear surfaces and debris particles examinations.    [1] T. Sornakumara and A. Senthil Kumarb, journal of materials processing technology, 202, 402 ( 2008 ).  [2] B.K. Prasad, Wear, 257, 110 (2004).      ……………… 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

262

DSL259  Dr. Marcin Golabczak  Technical University of Lodz, Department of Production Engineering,  Stefanowskiego 1/15 Str., 90‐924 Lodz, Poland   

Notices on Method of Thickness Evaluation of the TiN Layers   on Magnesium Alloys  M. Golabczak1, A. Konstantynowicz1   1Technical University of Lodz, Department of Production Engineering,  Stefanowskiego 1/15 Str., 90‐924 Lodz, PL.    Widely  used  in  mechanics  is  the  method  of  surface  parameters  investigation  by  in¬den¬ta‐tion  of  some  kind  of  penetrator into surface under test and registration of the in¬den¬ta‐tion/load dependence through the whole test  duration. A small ball made of har¬de¬ned steel or diamond pyramid, most often so‐called Berkovich pyramid, are  used for pe¬ne¬t¬ra‐tion. An actuator performing indentation process is used for displacement en¬for¬ce¬ment as  well  as  for  load  measurement.  Mainly  two  types  of  devices  are  in  use:  ba¬sed  on  pie¬zo¬e¬le¬c‐tric  effect  or  purely  electromagnetic  LVDT  (Linear  Variable  Displacement  Transducer).  Knowledge  about  pe¬ne¬t¬ra¬tor  tip  is  es¬sen¬tial for the proper evaluation of the measured parameters and knowled¬ge about ac¬tu¬at¬ion method is  also  desired  for  better  identification  of  the  whole  sy¬s¬tem  pa¬ra¬me¬ters  when  using  DSP  (Digital  Signal  Processing) type algorithms at the stage of elaboration the data from ex¬pe¬ri¬ment.  In this paper we deal with some kind of DSP elaboration of the ex¬pe¬ri¬men¬tal data. Our at¬ti¬tu¬de is based on  successive  digital  filtration  applied  to  the  ex¬pe¬ri¬men¬tal  data  as  well  as  to  the  intermediate  stages  of  calculation,  especially  for  com¬plian¬ce  estimation.  Pro¬po¬sed  method  has  been  applied  to  the  experimental  data  ob¬tai¬ned  by  indentation  of  the  in¬ve¬s¬ti‐ga¬ted  surface  with  Berkovich  pyramid  driven  by  pie¬zo¬e¬le¬c¬tric  actuator.  The  Bo¬u¬s‐sinesq/Sneddon  theory  has  been  used  as  the  basis  of  our  a¬na¬ly¬sis.  Titanium  azide  layers  imposed  on  magnesium  alloy  with  using  PVD  method  have  been  tested.  Obtained  results  especially  due  to  the  hardness/indentation  plot  allow  eva¬lu¬a¬ting  layer  thick¬ness,  which  should  be  also  compared with thickness evaluated by other methods.     [1] I.N. Sneddon, Proc. of the Cambridge Ph.S., 42, 29 (1946).  [2] I.N. Sneddon, Int. J. Eng.S., 3, 47 (1965).      ………………  DSL049  Prof. Shahram Ahmadi  Department of Material Science,   Faculty of Engineering,   Tarbiat Modares University of Technology,  Tehran, Iran   

Effects of Multiple Hardening Treatment on Mechanical Properties and Electrical  Resistance of an Al‐ Li‐Cu Alloy  A. Shokuhfar1, S. Ahmadi2, A. Rezaei1 , H. Arabi3  1 Department of Material Science, Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran,  Iran  2 Department of Material Science, Faculty of Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran  3 Center of Excellence of Advanced Materials and Processing (CEAMP), Department of Materials Science and  Engineering, Iran university of Science & Technology (IUST), Tehran, Iran  [email protected]   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

263

In  this  research,  effects  of  ageing  process  in  two,  three,  and  four  cycles  on  the  mechanical  properties  (i.e.  hardness,  yield  strength,  UTS,  and  elongation)  and  electrical  resistance  of  an  Al‐  Li‐  Cu  alloy  was  studied  by  hardness, stress, and electrical resistance tests. Moreover, transmission electron microscope (TEM) was utilized to  identify the strengthening phases in structure of the alloy. Results showed that age hardening of the alloy in four  cycles (i.e. room temperature, 190ºC, 150ºC, and 100ºC respectively) can increase ultimate tensile strength up to  640 Mpa. In fact, for the first time in this research it is proof that mechanical properties of the Al‐Li‐ Cu alloy can be  come top with the aide of cyclic ageing treatment. TEM observations also showed that plate shape T1 phase was  the most important strengthening phase in the structure.    Keywords: multi‐ step hardening; selected area diffraction pattern (SADF); interplanar spacing (d); natural  aging; activation energy      ………………  DSL144  Mr. ArashYazdani  Department of materials and metallurgical Engineering,  Iran University of Science and Technology,  Iran   

Deposition of Nano Sized Titanium Nitride on H11 Tool Steel Using Active Screen  Plasma Nitriding Method   A.Yazdani1, H.Aghajani1, M.Soltanieh1  Department of materials and metallurgical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, 16844,  Iran.    Active screen plasma nitriding (ASPN) is an emerging surface engineering technology that offers many advantages  over  the  conventional  DC  plasma  nitriding  (DCPN).  In  this  research  plasma  nitriding  of  H11  tool  steel,  using  titanium  active  screen  was  investigated.  Samples  were  plasma  nitrided  at  550  oC,  for  5,  7.5  and  10  h  with  3  different gas mixtures of H2/N2 %= 3, 4, 5. The coating microstructure and phase analysis were investigated using  Scanning  Electron  Microscopy  and  X‐ray  Diffraction  technique.  The  dominate  phase  in  compound  layer  was  TiN.  With  increasing  processing  time,  the  layer  thickness  was  increased.  According  to  Scanning  Electron  Microscopy  results, the sample surface was formed of nano sized and particulate titanium nitride particles. It was proved that  with increasing H2% in gas mixtures, better surface quality, golden yellow color, was obtained. Also the intensity of  TiN  peaks  and  layer  thickness  were  increased,  significantly.  Another  important  result  of  higher  amount  of  H2  content is the formation of coarse particles at titanium nitride layer.    References  [1]. K. K. Yee, `Protective Coatings for Metals by Chemical Vapour Deposition`, Int. Met.Rev, 1, 19‐42, 1978.  [2]. H. Dun, P. Pan, F. R. White, R. W. Douse,` Mechanisms of Plasms‐Enhanced Silicon Nitride Deposition Using  SiH4/N2 Mixture`, J. Electrochem. Soc., 128, 1555.1981.  [3]. J. C. Zesch, R. A. Lujan, V. R. Deline, `Glow Discharge Optical Spectroscopy  Measurement of Dopant Concentrations in a Si:H`, J. Non‐Cryst. Solids, 35‐36, 273‐277, 1980.  [4]. K. S. Mogensen, C. Mathiasen n, S. S. Eskildse ,H. Stori, J. Bottiger, `The time  development of pulsed‐DC production plasmas used for deposition of TiN`, Surf. Coat.  Technol. 102, 35‐40,1998.  [5]. J. S. You, C. S. Kang, S. H. Lee, C. Pfohl, K. T. Rie,`Thermal characteristics of a  Zr(B,C,N) coated layer manufactured by the PACVD process`, Surf. Coat. Technol. 112,  230‐235, 1999.  [6]. M. Charbonnier, M. Romand,`Tin‐free electroless metallization of glass substrates using different PACVD  surface treatment processes`, Surf. Coat. Technol. 162, 19‐30,2002.  [7]. I. Endler, E. Wolf, A. Leonhardt, V. Richter,`preparation, characterization and wear 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

264

behaviuor of PACVD cermets`, Surf. Coat. Technol. 72, 37‐42, 1995.  [8]. O. Salas, K. Kearns, S. Carrera, J. J. Moore, `Tribological behavior of candidate coating for Al die casting dies`,  Surf. Coat. Technol. 172, 117‐127, 2003.  [9]. Z. Cheng, H. Peng, G. Xie, Y. Shi, Surf. Coat. Technol. `Annealing studies of TiN  deposited by plasma‐assisted CVD`, 138, 237‐241, 2001.  [10]. J. Park, D. Kim, Y. Kim, K. Lee, H. Lee, S. Ahn, `Improvement of the biocompatibility and mechanical properties  of surgical tools with TiN coating by PACVD`, Thin Solid Films,435, 102‐107, 2003..... ‫زا‬ PACVD ‫رازبا‬ ‫د‬.‫وف‬ ‫يور‬ .....  [11]. E. Badisch, C. Mitterer, P. H. Mayrhofer, G. Mori, R. J. Bakker, J. Brenner, H. Stori,`Characterization of tribo‐ layers on self‐lubricating PACVD TiN coating`, Thin Solid Films,460, 125‐132, 2004.      ………………  DSL213  Dr. Levent Cenk Kumruoğlu  Sakarya University   Engineering Department Department of   Materials Science and Metallurgical Engineering   Esentepe Campus, Sakarya, TR, 54187 E‐ Turkey   

Aqueous Electrolyte Plasma Hardening of Pure Iron Substrate   Levent Cenk Kumruoğlu, Soner Özden ERTÜRK, Ahmet Özel, Abdullah Mimaroğlu  Faculty of Engineering, University of Sakarya, Esentepe Campus, Sakarya, TR, 54187, Turkey  [email protected]  +90 264 295 57 90    In this study, surface carburizing and hardening of pure iron were prepared in aqueous electrolyte, which consists  of pure water, Na2CO3, glycerin, Na2B4O7, KOH and carbamide, for various period of time by plasma electrolytic  surface treatment. The composition, structure, and hardness properties of the carburizing layer were studied by X‐ ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM) and micro‐hardness tester. The hardness of the carbon‐ rich layer on the substrate was 750 Hv.     Keywords: Pure Iron; Carburizing; Plasma electrolytic surface hardening; SEM, Microhardness      ………………  DSL227  Mr. Farid Siyahjani  Istanbul Technical University,   Materials and Metallurgical Engineering Department,   Maslak, Istanbul,   Turkey   

Nitrocarburizing of c15 and ck15 Quality Steels in Liquid Cyanate Bath   Farid Siyahjani  Istanbul Technical University, Materials and Metallurgical Engineering Department, Maslak, Istanbul, Turkey    In this study, nitrocarburizing of C15 and CK45 was done in liquid cyanate bath at 580ºC. Fe3N (ε) layers has been  formed  on  the  surface  of  both  steel,  while  Fe4N  (γ´)  developed  only  at  C15  steel  after  long  time.  Hybrid  nitrocarburizing  layers  that  consist  of  Fe4N  (γ´)  layer  at  C15  steel,  show  lower  hardness  in  comparing  Fe3N  (ε)  layer. In addition, the time of heat treatment will have significant effect on thickness and structure of steel. After  nitrocarburizing,  the  steels  were  examined  by  x‐ray  diffraction  analyzer,  scanning  electron  microscopic  survey,  micro hardness test and wear testing machine.  

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

265

  References  [1] T. Bell Met. Eng. Q., May, 16 (1976)1‐13.  [2] IndustrialHeatingLXIII (1996), p.47.  [3] G.Wahl, Adv.Mater.Process.4 (1996)37‐38.  [4] C.Razim ,GearTechnology(March/April)1994.18‐24.      ………………  DSL292  Mrs. Ana Lúcia do Amaral Escada   São Paulo State University‐UNESP, Guaratinguetá,  Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333,  Pedregulho, SP, Brazil   

AFM Analysis of  Apatite Coating on Ti‐7.5Mo Alloys  A.L.A. Escada1, M.C.R. Alves Rezende2, D. Rodrigues Jr3, J.P.B.Machado4,              M.I. Kimaid1, A.P.R.Alves Claro1  1 São Paulo State University‐UNESP, Guaratinguetá, Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333, Pedregulho, SP, Brazil.  2 São Paulo State University ‐UNESP, Araçatuba, Rua José Bonifácio, 1193, Vila Mendonça, SP, Brazil.  3 University of São Paulo (USP), Lorena, SP, Brazil  4 National Institute for Space Research –INPE,  São José dos Campos, Av. dos Astronautas, 1758, Jd. Granja, SP,    Titanium and its alloys have been used in dentistry due their excellent corrosion resistance and biocompatibility.  However, titanium coating is bioinert material and it cannot bond chemically to bone tissue. The purpose of this  work  was  evaluated  bioactivity  of  Ti‐7,5Mo  alloy  after  alkaline  treatment,  heat  treatment  and  soaking  in  SBF.  Ingots  were  obtained  from  titanium  and  molybdenum  by  using  an  arc‐melting  furnace.  They  were  machined  in  order  to  achieve  microstructure  and  morphology  next  to  dental  implants.  Average  surface  roughness  (Ra)  was  measured by a roughness meter and disc samples (13 mm in diameter and 4 mm in thickness) were cut to form  two distinct groups according average roughness (1.3 mm and 2.6 mm).  For alkaline surface treatment,  samples  were immersed in NaOH aqueous solution with 5.0M at 80ºC for 3 days, washed with distilled water and dried at  40ºC  for  24h.  After  alkaline  treatment  samples  were  heat treated  at  600ºC  for  1h  in  an  electrical furnace  in  air.  Then, all samples were immersed in SBF (Simulated Body Fluid) for 7 and 14 days to form a calcium phosphate (Ca‐ P) coating on the surface. Surfaces were characterized by using an atomic force microscopy (AFM) and a scanning  electron microscopy (SEM). Analysis indicated that the surface was covered with a thin sodium titanate layer after  NaOH  treatment.  This  chemical  treatment  on  different  surfaces  exposed  reactive  groups  and  made  possible  to  create nanoscale topography. It was observed Ca‐P deposits with 90–200nm in equivalent diameter after 7 and 14  days  on  both  roughnesses  samples.  The  immersion time  used,  made  possible  to  form  a continuous  Ca‐P  film  on  titanium  substrates.  It  was  found  that  substrate  surface  roughness  affected  the  apatite  formation.  The  results  indicated that calcium phosphate could form on surface of Ti‐ 7.5Mo experimental alloy with better hidrofilicity for  2.6 mm.      ………………  DSL505  Mr. F. Fazlalipour   Iran Radiator Company,   Tehran, R&D Dept,  Iran   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

266

Comparative Tribological Behaviour and Wear Mechanisms of V(N,C) and VC  Hard Diffusion Coatings against WC/Co Cemented Tungsten Carbide  F. Fazlalipour1, N. Shakib1, M. Niki Nushari1, A. Shokuhfar 2  1Iran Radiator Company, Tehran, R&D Dept  2K.N. Toosi University of Technology,Iran    In  this  work,  the  wear  mechanisms  and  tribological  properties  of  Vanadium  Carbide  (VC)  and  Vanadium  Nitrocarbide (V(N,C)) layers coated separately on DIN 1.2367 hot work steel disks were compared against WC/Co  cemented  tungsten  carbide  pin.  The  V(N,C)  layer  was  produced  by  a  duplex  surface  treatment  involving  the  gas  pre‐nitrocarburising  followed  by  thermo‐reactive  diffusion  (TRD)  vanadizing  technique.  Coating  layers  were  characterized by microstructure and microhardness methods and X‐ray diffraction analysis. The wear and friction  tests were carried out on pin‐on‐disk configuration in a dry test condition under 70, 140 and 210 N loads at 0.13  m/s sliding speed for 700m displacement. Effect of applied load on specific wear rate and coefficient of friction was  investigated.  Wear  mechanisms  were  determined  by  SEM  microscope  in  back  scattered  and  secondary  electron  mode (BSI) accompanied by EDS analyzer. In this study, results revealed that V(N,C) coating offers  lower wear rate  and  better  tribological  properties  than  that  of  VC  due  to  pre‐nitrocarborizing  and  formation  of  protective  oxide  layer as a result of temperature increment during sliding. Finally, it was determined that contribution of oxidizing  and polishing of this protective oxide layer is the dominant wear mechanism in the V(N,C) coated steel. Whereas,  in the case of VC coating plastic deformation together with severe abrasive wear play a major role in degradation  of materials.    Keywords: Wear mechanism, carbide coating, Duplex, TRD, vanadium nitrocarbide        ………………  DSL063  Mr. Gheriani Rachid  Physics department, Faculty of science,   university of Ouargla, Algeria   

Effect of Heat Treatments on the Structural and Mechanical Properties of Ti Thin  Films Deposited on Steel Substrates by PVD Method.  R. Gheriani1 , R. Halimi2.  1Physical laboratory of Materials, University of Ouargla , 30.000‐ Algeria.  2Unity of research, Materials and applications, University of Constantine, 25.000 – Algeria.    Titanium  carbides  are  well  known  materials  with  great  scientific  and  technological  interest.  The  applications  of  these  materials  take  advantage  of  the  fact  that  they  are  very  hard,  refractory  and  that  they  have  metallic  properties.    In this work, We have studied the influence of the heat treatment temperatures ( 400‐1000°C) on the interaction  between  the  titanium  thin  films  and  steel  substrates.  Steel  substrates,  100C6  type  (AFNOR  norms),  containing  approximately  1  wt  %  of  carbon,  were  coated  at  200°C  with  titanium  thin  films  by  magnetron  sputtering.    The  samples  were  characterized  by  X  ray  diffraction  (XRD),  Auger  electron  spectroscopy  (AES)  and  scanning  electron  microscopy  (SEM).  Vikers  micro‐hardness  measurements  carried  out  on  the  annealed  samples  showed  that  the  micro‐hardness  increases  with  annealing  temperature,  reaches  a  maximum  (3500  kg/mm2),  then  decreases progressively. The growth of micro‐hardness is due to the diffusion of the carbon, and to the formation  of  titanium  carbide.  However,  the  decrease  of  micro‐hardness  is  associated  to  the  diffusion  of  iron  and  the  formation of iron oxide (Fe2O3). At higher temperatures, we note the formation of titanium oxide (TiO2).        ……………… 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

267

VIP‐DSL009  Prof. I. E. Campos Silva  Instituto Politécnico Nacional, SEPI‐ESIME U.P. Adolfo López   Mateos, Zacatenco, México. 07738. D. F. México   

Production of a Multicomponential Layers on a 99.8% Purity Iron  by the Two Stage Boro‐Nitriding Process: Microstructural and Mechanical  Characterization       O. A. Gómez‐Vargas1, I. Campos‐Silva1, U. Figueroa‐López2, M. Elías‐Espinosa1,   E. Hernández‐Sánchez1  1Instituto Politécnico Nacional, SEPI‐ESIME U.P. Adolfo López Mateos, Zacatenco. México. 07738. D. F. México.  2Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey CEM, Carretera Lago. De Guadalupe. km 3.5,  Atizapán, Edo. de México. 52926.      Nowadays, there are  number  of termochemical  processes for  improving  surface  mechanical properties. Boriding  have been positioning as a one of the processes which report high performance in the improvement of mechanical  properties (hardness and wear strength) as well as corrosion resistance on several alloy systems; i.e. ferrous and  non  ferrous  alloys,  [1].  It  has  been  seen  that  paste  boriding  process  can  be  used  in  high  production  lines  in  comparison with the powder‐pack boriding, [2].   On  the  other  hand,  surface  treatment  by  nitriding  can  produce  a  set  of  high  surface  hardness  and  good  wear  resistance, [2]. However, it is not recommended to apply this treatment in some high carbon steels because the  carbon tends to diffuse at the surface of the sample, and the nitride layer formed on the substrate leads to flaking  and spalling when a mechanical load is applied.   This study analyzed the production of multicomponential boro‐nitriding layers at the surface of 99.8% high purity  iron  by  two  stage  process  consisting  of  paste  boriding  step  followed  by  a  powder  nitriding  process.   Characterization  of  the  boro‐nitriding  samples  were  made  by  Knoop  microhardness  testing,  Energy  Dispersive  Spectroscopy  (EDS),  X‐ray  diffraction  (XRD),  Scanning  Electron  Microscopy  (SEM)  and  Glow  Discharge  Optical  Emission Spectroscopy (GDOES).   The diffusion of boron and nitrogen in the two stage process depends of several factors, although in the boriding  stage boron potential seems sensible to the preparation of boriding paste as well as the particle size. Additionally,  the  preparation  of  the  sample  before  and  after  of  boriding  stage  plays  an  important  role  because  is  possible  to  minimize  surface  imperfections  and  unnecessary  compound  on  the  surface  after  boriding  stage.  The  product  consist of a well define FexBy/BxNy/diffusion zone multicomponential layers which seems as a interesting system  where a combination of wear and corrosion strength are main properties in service.    [1] I. Campos, R. Torres, O. Bautista, G. Ramírez, L. Zúñiga., Appl. Surf. Sci. 252 (2006) 2396‐2403.  [2] I. Campos, O. Bautista, G. Ramírez, M. Islas, J. De la Parra, L. Zúñiga., Appl. Surf. Sci. 243 (2005) 429‐436.                           

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

268

                   

          SPECIAL SESSION:  Microstructural Control Through Diffusion  Processes    ORGANISED BY:    Prof. Dr. Yvan Houbaert   University,  BELGIUM    Dr. Eng. Lucía Suárez   CTM ‐ Technologic Centre,   SPAIN    Dr. Eng. Pablo Rodríguez   CTM ‐ Technologic Centre,   SPAIN 

        DSL047  Mrs. Yamina Lahmar‐Mebdoua  Centre de Développement des Technologies Avancées,   Algiers, Algeria   

Heat Diffusion in Solidifying Alumina Splat Deposited on Solid Substrate under  Plasma sprayed Conditions: Application to Coating Formation  Y. Lahmar‐Mebdoua1, A. Vardelle2, P. Fauchais2 and D. Gobin3  1 Centre de Développement des Technologies Avancées, Algiers, Algeria, 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

269

2 Sciences des Procédés Céramiques et de Traitement de Surface UMR‐CNRS 6638 Limoges University, France,  3 Laboratoire Fluide, Automatique, Systèmes Thermiques UMR‐CNRS 7608, Paris VI University, France    A plasma‐sprayed coating is  build  up by the layering  of individual  splats. The  latter are formed  by the spreading  and  solidification  of  molten  particles  sprayed  onto  a  solid  substrate.  The  properties  of  coating  depend  on  its  microstructure and quality of contact between the splats and underlying layer and between the piled‐up splats [1].   This work deals with a 1D model of heat transfer between plasma‐sprayed alumina splats and smooth substrates.  The  model  is  based  on  the  heat  diffusion  in  the  solidifying  splat  and  substrate  and  includes  undercooling  phenomenon,  heterogeneous  nucleation  and  crystal  growth  kinetics  [2,3].  It  assumes  that  splat  spreading  and  solidification  are  two  independent  processes.  The  model  predicts  the  splat  cooling  and  solidification  taking  into  account, as far as possible, the in flight particle properties drawn from the literature in order to study their effect  on the splat thermal history.  The  effect  of  the  quality  of  contact  between  the  splats  as  well  as  the  already  deposited  and  solidified  layer  thickness on the grain size distribution and front solidification velocity is investigated.    [1] P. Fauchais, M. Fukumoto, A. Vardelle, and M. Vardelle, J.T.S.T, Vol. 13(3),  p.337 (2004) .  [2] Y. Lahmar‐Mebdoua, A. Vardelle, P. Fauchais and D. Gobin, J.H.T.M.P, vol. 11, p.191, (2007)  [3] Y. Lahmar‐Mebdoua, A. Vardelle, P. Fauchais and D. Gobin, J.H.T.M.P, vol. 12, p.279 (2008)        VIP‐DSL020  Prof. Y. Sohn  Department of Mechanical,   Materials and Aerospace Engineering  University of Central Florida, Orlando, FL, USA   

Determination of Average Ternary Interdiffusion Coefficients using Moments of  Interdiffusion Flux and Concentration Profiles  N. Garimella, Y.H. Sohn  Advanced Materials Processing and Analysis Center  Department of Mechanical, Materials and Aerospace Engineering  University of Central Florida, Orlando, FL, USA    We developed a method of rigorous solution of the Onsager’s flow equations using moments of the interdiffusion‐ parameter integrands for the determination of average ternary interdiffusion coefficients. The analysis developed  by  Dayananda  and  Sohn  [1]  is  the  basis  for  this  refined  approach.  Average  main  and  cross  interdiffusion  coefficients  are  determined  over  selected  regions  in  the  diffusion  zone  using  the  diffusion‐distance  moments  of  the  interdiffusion  flux  flow  equations.  Thermodynamic  stability  of  solid  solutions  in  the  light  of  interdiffusion  phenomenon  is  taken  as  validation  criteria  to  identify  accurate  and  reliable  values  of  the  ternary  interdiffusion  coefficients. Regulations are proposed for successful application of the analysis method to various ternary diffusion  couples in Ni‐ and Fe‐based intermetallics.    [1] M.A. Dayananda, Y.H. Sohn, Metall. Mater. Trans. A, 30A, 535 (1999).      ………………  VIP‐DSL025  Prof. H. Fujikawa  Air Water Incorporated.,   Japan   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

270

Invited Talk (VIP‐DSL025)   Effect of Small Amounts of Elements and Microstructure of Steels on   High Temperature Oxidation Behaviour of Stainless Steels  H. Fujikawa  Air Water Incorporated, 1‐8 Nagahama‐cho Amagasaki‐shi Hyogo 660‐0091 Japan  I review the effect of small amounts of elements and the microstructure of the steels on high temperature  oxidation behavior of ferritic and austenitic stainless steels.     In the ferritic stainless steels, the effect of C, N, stabilized elements of C and N, such as Ti, Nb, Zr, Ta and Hf, and  the  microstructure  of  the  steels  themselves  on  high  temperature  oxidation  behaviour  was  studied.  C  and  N  showed  extremely  harmful  effects,  but  the  stabilized  elements  (Ti,  Nb,  Zr,  Ta  and  Hf)  showed  good  effects.  Particularly,  Zr,  Ta  and  Hf  showed  remarkably  excellent  behavior.  A  strong  relationship  between  the  microstructure  of  the  steels  and  the  effect  of  these  elements  was  apparent.  That  is,  when  austenitic  phase  precipitated  at  the  exposed  temperature,  the  abnormal  oxidation  was  caused  at  the  austenitic  phase.  Also,  the  oxidation  resistance  of  ferritic  stainless  steels  decreased  with  the  increase  of  the  precipitation  of  the  austenitic  phase at the exposed temperature. The steels precipitated at 20 to 50% of the austenitic phase showed the worst  oxidation behavior.  In austenitic stainless steels, the precipitation of MnS compound caused a harmful effect. The oxidation resistance  of austenitic stainless steels was enhanced by decreasing S concentration in steels. Furthermore, the addition of a  small amount of Y in austenitic stainless steels caused good oxidation behavior.     I will explain the mechanism of these effects in detail.      ………………  DSL153  Prof. RafaelColás   Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica,   Universidad Autónoma de Nuevo León,  A.P. 149‐F, 66451 San Nicolás de los Garza,   N.L., México   

Diffusion in Electrodes Used for Resistance Spot  Welding of Galvannealed Steel  Maribel de la Garza1, Patricia Zambrano1, Martha P. Guerrero‐Mata1, Tamás Reti2, Mihaly  Réger2, Imre Felde3 and Rafael Colás1.  1 Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León,  A.P. 149‐F, 66451 San Nicolás de los Garza, N.L., México.  2 Department of Materials Science and Technology, Banki Donat Faculty of Mechanical and  Safety Engineering, Budapest Polytechnic, Hungary.  3 Bay Zoltan Foundation, Institute for Materials and Technology, Hungary.    A study was carried out in Zr‐Cr bearing copper electrodes used for resistance spot welding of galvannealed steel  strips.  One  electrode  exhibited  a  series  of  well‐defined  layers  in  which  Zn  diffused  to  form  ß‐  and  ?‐brasses;  an  external  layer  containing  iron  was  detected  in  this  electrode.  Another  electrode  that  exhibited  a  high  degree  of  damage did not exhibited continuous Zn‐diffusion layers in all places, moreover, the Fe‐containing layer was either  removed, or had it grown to a high extend in some places; the occurrence of Cu‐rich particles embedded within  the Fe containing layer was observed. Multiple cracks were observed within the ? brass layer in both electrodes.  The difference in the observed behaviour of the electrodes can be attributed to difference in the characteristics of  the  galvannealed  coating  of  the  strips,  as  the  first  electrode  was  used  to  weld  strips  in  which  the  layer  corresponding to the G phase was well developed, whereas the second electrode was used to weld strips with only 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

271

an incipient layer. It can be concluded that growth of the G phase changes the thermophysical properties of the  zinc coating, affecting the temperature profile during spot welding.    Keywords: Diffusion, resistance spot welding, galvanneal, brass.      ………………  DSL411  Dr. Alberto Monsalve G.  Dpto. Ing. Metalúrgica, Ca silla 10233,   Facultad de Ingeniería,   Universidad de Santiago de Chile,  Chile   

Importance of Diffusion in the Continuous Annealing of Dual‐Phase Steels   A. Monsalve1, F. Castro1, A. Artigas1, Y. Houbaert2 and R. Colás3  1Dpto. Ing. Metalúrgica, Ca silla 10233, Facultad de Ingeniería, Universidad de Santiago de Chile.  2Department of Metallurgy and Materials Science, University of Ghent, Bélgica  3Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León, 66451 San Nicolás de la  Garza, N.L. México.    Continuous  annealing  Dual‐Phase  steels  have  been  studied  in  order  to  identify  the  different  phases  that  are  present in the steels after heat treatments consisting in continuous annealing at several times at a temperature of  800ºC. Previously, samples were submitted to a cold rolling process of 70%. In order to reveal the phases present  in the steels, Le Pera reagent was used for differentiate martensite from ferrite and bainite. Optical, electronic and  atomic force microscopy were used in order to study the phases present after each treatment. A salt furnace was  used for heating the samples, with a heating rate of 50ºC/s, after which, water quenching was developed. It was  found  that  the  formation  of  austenite  from  ferrite  is  a  diffusion‐controlled  phase  transformation  [1].  At  higher  temperatures, the rate of transformation increases, due to the diffusion nature of the phenomena. As well, micro  hardness measurements were used in order to identify phases, in those cases of phases with similar morphologies.     [1] R. O. Rocha, T.M. Melo, E.V. Pereloma and D.B. Santos, Mat. Sci. Eng., A 391, 296 (2005).       ………………  DSL180  Mr. Yuhki Tsukada  Department of Materials,   Physics and Energy Engineering,   Graduate School of Engineering,  Nagoya University,   Nagoya 464‐8603, Japan   

Phase‐Field Simulation on Coarsening of the γ’ Phase Particles in Ni‐Based  Superalloys Considering Elastic Inhomogeneity  Y. Tsukada1, Y. Murata1, T. Koyama2, M. Morinaga1  1Department of Materials, Physics and Energy Engineering, Graduate School of  Engineering, Nagoya University, Nagoya 464‐8603, Japan.  2National Institute for Materials Science, Tsukuba 305‐0047, Japan.   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

272

Ni‐based superalloys, which are composed of the γ’ phase precipitated in the γ phase, are applied to gas turbine  materials  because  of  their  excellent  mechanical  properties  such  as  creep  strength  at  high  temperatures.  It  is  of  great importance to control the volume fraction, morphology and size distribution of the γ’ phase in the (γ+γ’) two‐ phase  microstructure,  since  the  mechanical  properties  of  the  superalloys  are  strongly  related  to  them.  Although  the  elastic  inhomogeneity  between  the  γ  and  γ’  phases  is  about  13%  in  a  practical  Ni‐based  superalloy  at  high  temperatures  [1],  effect  of  the  inhomogeneity  on  the  microstructure  evolution  has  been  left  unsolved.  In  this  study,  a  phase‐field  simulation  was  performed  to  examine  the  dependence  of  morphological  evolution  and  coarsening  kinetics  of  the  γ’  particles  on  the  elastic  inhomogeneity  in  Ni‐based  superalloys.  On the basis of the elastic constants of a practical alloy [1], both elastic anisotropy and shear modulus were varied  independently in the simulation. In the elastic energy calculation in this study, the model proposed by Hu and Chen  [2] was adopted to solve the local displacement vector in the elastically inhomogeneous system. The variation of  elastic  anisotropy  gave  significant  effect  on  both  morphology  and  size  distribution  spectrum  of  the  γ’  particles,  whereas  the  variation  of  shear  modulus  gave  little  effect  on  them.  Furthermore,  as  a  result  of  a  series  of  simulations,  it  was  found  that  the  coarsening  rate  constant  of  the  cubic  growth  law  depended  on  the  standard  deviation of the γ’ size distribution.    [1] K. Tanaka,  T. Kajikawa, T. Ichitsubo, M. Osawa, T. Yokokawa and H. Harada, Mater. Sci. Forum, 475‐479, 619  (2005).  [2] S. Y. Hu and L. Q. Chen, Acta Mater., 49, 1879 (2001).      ………………  DSL418  Dr. Pablo Rodriguez   CTM‐ Technologic Centre,   Av. Bases de Manresa, 1 08242 Manresa,  Barcelona, Spain   

Al‐Si‐Fe‐Intermetallics on Fe‐Substrates during Hot‐Dipping   P. R. Calvillo 1, L. Suarez1 and Y. Houbaert 2  1 CTM ‐ Technologic Centre, Materials Technology Area, Av. Bases de Manresa, 1  E‐08242 Manresa, Barcelona, Spain  2 Department of Materials Science and Engineering, Ghent University, Technologiepark 903   B‐9052 Gent, Belgium.    Steels  alloyed  with  Si  and  Al  are  used  as  core  material  in  flux  carrying  machines,  they  are  commonly  called  electrical steels, divided in grain oriented and non oriented when a material without magnetic anisotropy or not is  desiderated  and  used  in  transformer  and  electrical  motors,  respectively.  The  appearance  of  brittle  ordered  structures when Si+Al content in steel is above 4 m.‐% makes its industrial production not always easy. Therefore  hot dipping in a Al‐Si bath followed by a diffusion annealing was found to be a production way of steels with high Si  and/or  Al  concentration  and  to  overcome  the  creation  of  fragile  structures  during  deformation  processes,  as  rolling.  The  formation  of  different  layered  Al‐Si‐Fe  intermetallics  on  the  steel  substrate  depends  on  among  diverse  processing  parameters  as  bath  temperature  and  composition,  immersion  time,  preheated  of  the  steel  substrate  and  its  composition  and  cooling  down  to  room  temperature.  This  contribution  reports  the  solidification  and  diffusion Al‐Si‐Fe products obtained during hot dipping process in an Al iron saturated and a hypoeutectic Al – 5  m.‐%  Si  baths  of  ultra  low  carbon  steel  and  Fe‐substrates  with  3  m.‐%  Si,  annealed  and  cold  rolled  to  different  thickness. The preheating of the samples and bath temperatures were varied between 670 to750°C. Dipping times  between 1 to 1000 sec. were applied. The different layers and compounds formed were characterised by Scanning  Electron Microscopy (SEM), using the Back Scattered Electron (BSE) detector and Energy Dispersive Spectroscopy  (EDS). Their obtained chemical composition allowed the comparison of the diffusion and solidification paths in the  Al‐Si‐Fe equilibrium diagram. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

273

    ………………  DSL419  Dr. L. Suarez  CTM‐ Technologic Centre,   Av. Bases de Manresa, 1 08242 Manresa,  Barcelona, Spain   

Galvanized Coatings Produced in a Hot Dip Simulator (HDS)  L. Suarez1, D. Warichet2 and Y. Houbaert3  1 CTM‐ Technologic Centre, Materials Technology Area, Av. Bases de Manresa, 1 08242 Manresa, Barcelona, Spain  2 Galva Power Group NV / Div. Galva Staal – ICA, B‐9200 Dendermonde, Belgium  3 Department of Materials Science and Engineering, Ghent University  Technologiepark 903, B‐9052 Gent, Belgium    Steel  is  still  the  main  construction  material  for  automobiles,  general  equipment  and  industrial  machinery.  For  applications  in  aggressive  atmospheres,  the  steel  sheet  has  to  be  coated  with  a  protective  layer.  Hot  dip  galvanizing has proven to provide excellent protection against corrosion of steel for a wide range of applications.  Coatings of Zn‐Al alloys on steel sheet give a high corrosion resistance due to the corrosion prevention by zinc and  the  passivation  by  Al.  Steel  producers  have  developed  advanced  technologies  for  the  continuous  annealing  and  coating  of  steel  sheet  to  meet  the  challenges  of  automotive  and  appliance  manufacturers.  Many  important  industrial  processing  steps,  such  as  heating,  soaking,  cooling,  aging,  dipping,  wiping  and  galvannealing  require  a  reliable  procedure  for  process  verification.  Verification  on  production  or  pilot  lines  is  neither  economical  nor  efficient.  However,  it  is  generally  accepted  that  a  laboratory  scale  process  simulation  is  the  most  economical,  efficient  and  reliable  verification  method.  Simulators  for  the  HDP  (Hot  Dip  Process)  have  been  commercialized:  they  allow  laboratory  scale  simulations  of  the  (hot  dip)  coating  and  of  the  consequent  annealing  processes  occurring  in  industrial  production  lines,  serving  for  process  and  product  improvement  and  development.  The  complete HDGP involves many variables that can impact on the appearance and characteristics of the final coated  product.   To  improve  and  further  develop  the  production  and  the  final  coating  properties,  hot  dipping  experiments  are  performed in a HDP simulator using different substrates, bath compositions and hot dipping parameters. Surface  layers are characterised by SEM and EDX‐EDS.  The results obtained by these simulations are transferable to the production process of real continuous galvanizing  lines. Important industrial steps of the process can be simulated in the HDPS with a high variability of parameters  (i.e.  gas  atmosphere,  humidity,  heating  and  cooling  rates,  immersion/extraction  speeds,  temperatures).  The  material consumption is extremely small compared with pilot or production lines and production capacities do not  need to be used.       ………………  DSL174  Dr. M. P. Guerrero Mata  Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica,  Universidad Autónoma de Nuevo León,  Ave. Universidad S/N,   San Nicolás de los Garza, N.L.,   66451 México   

Development of Intermetallic Phases on Fe‐Zn Coatings  M. de la Garza1, M. Moreno1, R.Colás1, Y. Houbaert2 and  M.P. Guerrero‐Mata1   1 Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León,  DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

274

Ave. Universidad S/N, San Nicolás de los Garza, N.L., 66451 México.  2Department of Metallurgy and Materials Science, University of Ghent, Technologiepark 903, 9052 Gent, Belgium.     Fe‐Zn  coatings  are  obtained  by  a  heat  treatment  after  galvanizing  the  steel,  as  these  coatings  have  improved  properties over the traditional galvanized ones. In this work various conditions were studied in order to improve  the iron diffusion into the zinc layer to achieved better coating adhesion as well as a proper phase distribution. The  coating (Fe‐Zn) formation was studied on a high strength low alloy steel (HSLA), this was carried out comparing the  microstructures  and  Fe  contents  on  the  phases  present  of  samples  coated  in  a  industrial  plant  and  in  samples  coated  in  a  laboratory  hot  dip  process  simulator.  Three  chemical  compositions  of  bath  were  used,  annealing  temperature  and  dwell  time  were  varied.  The  adhesion  was  measured  by  V  bending  test  at  60  and  90º.  It  was  found that the most influencing parameters on the phase formation of the coating were temperature and time of  annealing.     Keywords: HSLA steel, galvannealing, phase formation.       ………………  VIP‐DSL059  Prof. Ivan Houbaert  Ghent University,  BELGIUM   

Copper Penetration during the Oxidation of Cu‐bearing Steel  Yvan Houbaert1, Jan Penning1, Ivonne Infante Danzo1  Department of Metallurgy and Materials Science, Ghent University  Technologiepark 903, B‐9052 Gent, Belgium    Cu‐bearing  steel  presents  some  advantages:  solid  solution  strengthening,  increased  hardenability,  possible  precipitation hardening, increased resistance to atmospheric corrosion (hence the name “weathering steels”), but  on the other hand Cu‐additions to steel can be considered as a contamination of the steel scrap, as it will not be  easily  removed  during  metallurgical  processing.  Furthermore,  during  slab  reheating  problems  of  “surface  hot  shortness”  may  occur,  due  to  the  penetration  of  liquid  Cu  between  the  austenite  grains,  followed  by  cracking  during the rolling process.  Steel samples with Cu‐contents between 0,4 and 1,8 wt.‐% Cu and variable additions of alloying elements (Al, Mn,  Mo,  Cr,  Si  and  Ni)  were  oxidized  at  900  and  1100°C  and  the  morphology  and  degree  of  Cu‐penetration  was  evaluated  by  metallographic  observation.  It  was  shown  that  the  addition  of  Al  has  no  influence  on  the  Cu‐ penetration, that Mn and Mo increase the penetration, Cr affects the penetration of Cu indirectly, determining the  quantity  of  Cu expulsed from the steel, certain combinations of Cr/Si enhance the  penetration,  Si also enhances  the penetration and modify the oxidation mechanism. Finally, it was observed that nickel reduces the tendency to  surface  hot  shortness  and  modifies  completely  the  oxidation  and  penetration  patterns.  Explanations  on  the  behavior of the alloying elements are given in terms of a modification of the surface tension between the molten  copper and the metal surface, visible in a modification of the dihedral angle between the phases.      ………………  DSL111  Prof. E. A. Pastukhov  Institute of metallurgy,   Russian Academy of Sciences, UrD.  Yekaterinburg, Russia 

 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

275

Molecular Dynamic Calculation of the Hydrogen and Iron Diffusion    in the molten Tantalum under Electric Field   E.A. Pastukhov, A.A.Vostrjakov, N.I.Sidorov, V.P.Chentsov   Institute of metallurgy, Russian Academy of Sciences, UrD.  Yekaterinburg, Russia.    High  purity  Tantalum  producing  is  defined  by  the  choice  of  refinement  technology  nowadays,  and,  as  consequence, depends on impurity structure in Tantalum melt. As authors [1] had proved, Tantalum processing by  Hydrogen stream in remelting processes with external electric field applying is one of the perspective refinement  methods.  Efficiency  increase  of  the  Tantalum  melt  refinement  from  impurities  by  means  of  its  processing  in  Hydrogen stream remains an actual problem. Therefore Hydrogen behavior in Tantalum and mechanism of electric  field  influence  to  Hydrogen  and  other  impurity  atoms  diffusion  in  the  Tantalum  melt  are  under  interest  of  the  researches.    Molecular dynamics (MD) method for analysis of electric field intensity affect to the Iron impurities removal from  Tantalum  under  Hydrogen  presence  is  used  in  this  work.  Radial  distribution  functions  and  diffusion  factors  of  Hydrogen and Iron atoms in Tantalum melt at 3400K under electric field and without it are obtained.  It is proved,  that electric field imposing on liquid Tantalum with Iron impurity increases Tantalum diffusion factor by more, than  two  power  of  value:  from  1,7∙10‐4  to  3,6∙10‐2  cm2  ∙c‐1  while  the  Iron  atoms  diffusion  factor  increases  approximately three times: 1,3∙10‐5 to 3,2∙10‐5 cm2 ∙c‐1. Hydrogen introduction into the  MD ‐ cell without electric  field imposing gives much low increase of Tantalum diffusion factor: from 1,7∙10‐4 to 7,4∙10‐4 cm2 ∙ c‐1, but more  considerable growth of those for Iron: from 1,3∙10‐5 to 1,5∙10‐4 cm2 ∙ с‐1. Simultaneous imposing an electric field  and Hydrogen introduction into the  MD – cell keeps Tantalum and Iron diffusion factors  at the level of electric  field affect. Thus electric field imposing affect is a main parameter of Iron diffusion factor increasing.    [1] D. Elanski, K. Mimura, T. Ito, M. Isshiki. Materials Letters, 30, 1, (1997).      ………………  DSL219  Prof. Galina Zmievskaya  M.V.Keldysh Institute of Applied Mathematics,   Russian Academy of Sciences,    125047 Moscow, Miusskaya sq.4,   Russia 

  Diffusion Stochastic Processes  Models and Solids Damaging Effects   A.L. Bondareva, G.I. Zmievskaya  M.V.Keldysh Institute of Applied Mathematics, Russian Academy of Sciences,    125047 Moscow, Miusskaya  sq.4, Russia.    Computer  simulation  of  radiation  stimulated  defects  into  solids  deals  with  beams  of  radiation  when  only  the  absolute  number  of  ionizing particles  or  photons interacting  with  the  object is  important. Damaging effects  into  solid  body  are  caused  to  laser‐matter  interaction  have  a  character  of  blistering  (or  vacancy‐gaseous  defects  formation), which is considered as the heterogeneous first‐order phase transition at non‐equilibrium stage[1]. The  peculiarities of radiation defects clustering: alteration of microstructure in conditions of impacts of pulse fluxes of  IR  or  porosity  into  thin  metal  layers,  formation  of  lattice  tension  within  "barier"  layer  into  metal  mirrors  (multilayer) structure are to be discussed in terms of statistical mechanics, kinetic theory and stochastic dynamics.  The both: Fokker‐Planck‐Kolmogorov and Smolukhovskii equations have been used for sophisticated treatment of  non‐linear brownian migration of clusters with alternating masses into lattice. The models of nonlinear stochastic  diffusion into the both: phase space of clusters sizes and phase space of its Cartesian coordinates are examined.  New  kind  of  self‐organization  phenomena  due  to  long‐range  indirect  elastic  interaction  between  defects  can  be 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

276

added to the accounting of the internal interfaces with sources or sinks of the vacancies and the blisters. We put  here the main attention focuses on the kinetic description of defects formation under condition of many interfaces  between follow metal  and dielectric layers.    The work is partially supported by grants RFBR.    [1] G.I. Zmievskaya//in book"Dynamics of Transport in Plasmas and Charged Beams", eds. G. Maino and  M.Ottaviani(Singapore:World Sci. Publ.), 1996, p.84‐98      ………………  VIP‐DSL020  Prof. Y. Sohn  Advanced Materials Processing and Analysis Center   and Department of Mechanical, Materials  and Aerospace Engineering, University of   Central Florida, Orlando, FL 32816 

  Effects of Combined Surface Modification on Adhesion   Strength of CrN Coatings for STS420  G.C. Jeong1, H.J. Choi2, Y.H. Sohn2, S.I. Kwun3  1 Department of Advanced Materials Engineering, Korea Polytechnic University, Shihung 429‐  793, Republic of Korea  2Advanced Materials Processing and Analysis Center and Department of Mechanical, Materials  and Aerospace Engineering, University of Central Florida, Orlando, FL 32816  3Department of Materials Science and Engineering, Korea University, Seoul 136‐701, Republic  of Korea.    In order to improve the durability and performance of molds and tools, diverse methods of surface modification  are  used  where  the  adhesion  strength  between  a  substrate  and  coating  plays  an  important  role.  To  improve  adhesion strength, a combined surface modification method is often utilized. In this study, adhesion strength and  microstructure of various combined surface modifications (i.e., ion‐nitriding, Cr intermediate layer, CrN layer and  nitrogen ion‐implantation) were examined on STS420. Phase constituents, microstructure, adhesion strength and  hardness  of  coating‐substrate  system  with  combined  surface  modification  was  examined  by  using  optical  microscopy,  X‐ray  diffraction,  transmission  electron  microscopy,  scratch  test,  and  nano‐indentation.  Highest  adhesion strength was observed when CrN coating was formed by Nitrogen implantation on ion‐nitrided substrate  with  a  Crintermediate  layer.  Influence  of  processing  sequence  and  combination  is  related  to  microstructural  observations and adhesion strength.      ………………  DSL163  Mrs. Hamideh Kafash  Faculty of Mechanical Engineering,   K.N. Toosi University of Technology,  Tehran, Iran   

Effect of Homogenization variables on Microstructure in Ti‐57.5%wtNi Alloy  H.kaffash1, A. Shokuhfar2, P.Movahed1, H. Tavakoli3  1Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.  2Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, P.O Box: 19395‐1999, Tehran, Iran. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

277

3Advanced Material Research Center, Tehran, Iran.    It is widely recognized that improvements of shape memory and mechanical properties in NiTi alloys are achieved  by thermomechanical  and aging  treatment.  Especially, the  aging treatment  is an effective process  in  Ni‐rich  NiTi  alloys  due to  precipitation  strengthening  from  the  homogenized  parent phase. In this study, NiTi  alloy with  high  nickel content, corresponding to Ti‐57.5%wt Ni, was prepared by vacuum induction melting in a graphite crucible.  The homogenization heat treatments were conducted in NiTi single phase region (1100OC) and for various times  (0.5,  1,  2,  and  4  hours)  and  then  samples  were  cooled  in  two  different  media  (furnace  and  air).  Microstructural  investigations were carried out by optical microscope and scanning electron microscope (SEM) equipped with an  energy  dispersive  X‐ray  (EDX)  analysis.  It  was  seen  that  increasing  the  time  of  homogenization  results  in  finer  precipitations  and  uniform  distribution  of  them.  In  addition,  types  and  locations  of  precipitated  phases  were  correlated to the cooling media and time of homogenization. Furthermore, changing the rate of cooling shows a  great effect on the hardness of samples.    [1] Y. Motemani, et al., J. Alloys Compd, 17517 (2008),  [2] D. Holec, O. Bojda, A. Dlouhy, J.msea, 481‐482, 462,(2006)      ………………  DSL164  Mr. Pooria Movahed  Faculty of Mechanical Engineering,   K.N. Toosi University of Technology,   Tehran, Iran   

Effect of Homogenization Time and Cooling Rate on Martensitic  Transformations in Ti‐57.5%wtNi Alloy  P.Movahed1, A. Shokuhfar1, H.Kaffash1, A. Etaati1, H.Bolvardi1, H. Tavakoli2  1Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran  2Advanced Material Research Center, Tehran, Iran    The NiTi alloys containing more than 55%wt nickel undergo precipitation of Ni4Ti3, Ni3Ti2, and Ni3Ti phases during  various heat treatments which could have a great effect on the chemical composition of the matrix and behaviour  of  alloy.  These  precipitations  have  a  considerable  effect  on  subsequent  martensitic  transformations  and  also  on  hardness.  In  this  investigation,  NiTi  alloy  with  Ti‐57.5%wt  nickel  content  was  produced  by  vacuum  induction  melting in a graphite crucible. The samples were subjected to the homogenization heat treatments which include  heating  to  the  NiTi  single  phase  region  (1100OC)  and  keeping  for  various  times  (0.5,  1,  2,  and  4  hours).  The  subsequent  cooling  was  conducted  in  different  cooling  media  (furnace  and  air)  in  order  to  obtain  different  precipitations.  Microstructural  investigations  were  carried  out  by  optical  microscope  and  scanning  electron  microscope (SEM) equipped with an energy dispersive X‐ray (EDX) analysis. It was seen that Ni4Ti3 particles with a  bimodal size distribution are formed during slower cooling rate. Differential scanning calorimetry (DSC) was used  to investigate the effect of cooling rate on transformation temperatures. This test clearly showed the correlation  between precipitations type and transformation temperatures of the alloy.    [1] L.J. Chiang et al, J. Alloys Compd, 458, 231–237(2008)  [2] M. Peltonen et al, J. Alloys Compd, 460, 237–245(2008)      ………………  DSL165  Mr. Emad Omrani 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

278

Faculty of Mechanical Engineering,  K.N. Toosi University of Technology,  Tehran, Iran   

The Effects of Annealing Time and Cooling Environment on Microstructure and  Transformation Temperatures of Ni‐42.5wt%Ti‐7.5wt%Cu Alloy  E. Omrani1, A. Shokuhfar1, A. Etaati1, A. Dorri M.2, A. Saatian3  1Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.  2Department of Materials Science and Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.  3Department of Metallurgy and Materials, Faculty of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.    The  present  paper  deals  with  different  effects  of  annealing  time  and  cooling  environment  on  Ni‐42.5wt%Ti‐ 7.5wt%Cu  alloy.  The  alloy  was  prepared  by  vacuum  arc  melting.  Afterward  three  annealing  times  (half,  one  and  two hour) and tree cooling environments (water, air and furnace) at 1373 K were selected. Optical and Scanning  Electron  Microscopic  methods,  EDX,  Differential  Scanning  Calorimetery  and  hardness  tests  have  been  used  to  evaluate  the  microstructure,  transformation  temperatures  and  hardness  data.  Microscopic  results  illustrate  that  specimens cooled in water and air are super‐saturated. Also microstructure in furnace cooling has many disparities  with  the  other  cooling  environments’  microstructure  and  two  types  of  precipitates  exhibits  in  the  matrix,  but  in  other cooling environments, only one phase can be observed. The Ti(Ni,Cu)2 particle phase are distributed in the  matrix  in  all  of  the  microstructure  irrespective  of  cooling  rate.  Observations  show  that  increasing  the  time  of  annealing results in finer precipitations and uniform distribution in the matrix. In addition, hardness increases by  increasing  of  annealing  time  in  water  and  air  cooling  environment  although  extremely  decline  by  increasing  of  annealing time in furnace cooled specimens. Also increase in hardness is observed as the cooling rate is increased  in  an  equal  annealing  time.  To  study  transformation  temperatures,  DSC  results  indicate  that  there  is  no  peek  in  water and air cooling environment while in furnace cooled specimens, peeks was observed.    [1] M. Nishida, T. Ueda, Y. Toyama and A. Chiba, Material Science Forum, 56‐58, 599 (1990)      ………………  DSL211  Mr. Amir Etaati  Faculty of Mechanical Engineering,  K.N. Toosi University of Technology,  Tehran, Iran   

Study on Homogenization Time and Cooling Rate on   Microstructure and Transformation   temperatures of Ni‐42.5wt%Ti‐3wt%Cu alloy  A. Etaati1, A. Shokuhfar1, E. Omrani1, P.Movahed1, H.Bolvardi1, H. Tavakoli2   1Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.  2Advanced Material Research Center, Tehran, Iran.    Over the last decades, numerous investigations have been conducted on Nitinol properties. However, the effects  of  alloying  elements  on  Ni‐rich  NiTi  alloys  have  been  considered  less.  In  this  research,  different  effects  of  homogenization time and cooling rate on behaviors of Ni‐42.5wt%Ti‐3wt%Cu alloy were evaluated. The mentioned  alloy fabricated by vacuum arc melting method. Three different homogenization times (half, one and two hours)  and  three  cooling  media  (water,  air  and  furnace)  were  selected.  The  microstructure,  martensitic  transformation  temperatures and hardness were examined by means of optical and scanning electron microscope (SEM) equipped  with  an  energy  dispersive  X‐ray  (EDX)  analysis,  differential  scanning  calorimetry  (DSC)  and  hardness  test,  respectively. According to the microscopic investigations, no significant changes were observed after half an hour. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

279

However,  results  indicate  that  increasing  time  of  homogenization  leads  to  finer  precipitations  and  uniform  distribution of them. The various Cooling environments result in formation of two types of precipitation phases. It  was seen that in high cooling rate, majority of precipitations are consisted of Ti2(Ni,Cu) while by decreasing cooling  rate NiTiCu precipitates are appeared too, which affect the hardness.    [1] T.Nam, J.Lee, G.Cho and Y.Kim, Materials Science and Engineering, 438–440, 687–690 (2006)  [2] T.Nam, J.Lee, J.Nam, K.Kim, G.Cho and Y.Kim, Materials Science and Engineering, 483–484, 460–463(2008)      ………………  DSL442  Mr. Seyed Majid SAFI   Islamic Azad University of  Ahvaz,  Ahvaz , Iran   

A New Modified Austempering to Increase Strength and Ductility  Simultaneously for UHS Steels  S.M. Safi 1, M.K. Besharati Givi2      1Islamic Azad University of  Ahvaz, Ahvaz , Iran.  2University of Tehran,Tehran,Iran.    In this paper, a modified up‐quenching heat treatment method to the ASSAB 705M steel (ultra high strength steel)  is proposed.  A low alloy steel (0.33%C), was used to study the effect of isothermal austempering, successive austempering and  modified up‐quenching austempering heat treatment on the mechanical properties. The specimens, were cut from  a bar with 25mm diameter and after achieving the best temperature and time of austenitizing, austenitized at   for  60  min  and  followed  by  quenching  at      for  the  high  austempering  temperature  to  achieve  the  upper  bainite  morphology and at   for the lower austempering temperature to achieve the lower bainite morphology.  In the case of successive austempering, the specimens were first austempered at   for different periods (500sec.  and  60sec.)  and  then  austempered  at      for  1000  sec  to  achieve  the  mixed  structure  of  upper  bainite  and  lower  bainite morphology.  The specimens selected for up‐quenching, after austenitization were quenched to below  ( ) for 120 sec. followed  by heating at   to achieve the mixed structure of tempered martensite and lower bainite and   to achieve the mixed  structure of tempered martensite and upper bainite for 1000 sec.  The  all  of  processes  were  performed  in  the  salt  bath  furnaces.  Experimental  results  are  presented  and  the  advantages of the modified method are discussed.  As  well,  it  is  shown  that  the  best  combination  of  strength  and  ductility  can  be  achieved  by  the  proposed  heat  treatment method. This modified method, can offer techniques that simultaneously improve not only strength 12  %( compare with results of strength after other heat treatment methods), but also ductility 38 %( compare with  results of ductility after other heat treatment methods). While, conventional heat treatment of ultra high strength  steels  (UHSS)  cannot  always  meet  the  strict  engineering  requirements  for  improved  strength  and  ductility  simultaneously.  It  has  been  shown  that  the  mixed  structure  of  tempered  martensite  and  lower  bainite  that  has  been suggested in this investigation offers a good combination of strength and ductility.       ………………  DSL321  Prof. Changwoo Lee  Advanced Welding and Joining Technical Service Center,   Korea Institute of Industrial Technology, 7‐47 Songdo‐Dong,   Yeonsu‐Gu, Incheon 406‐840, Korea   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

280

Effect of SiC Nanoparticels Dispersion on the Microstructure and Mechanical  Properties of Electroplated Sn‐Bi Solder Alloy  1C. W. Lee, Y. S. Shin, and S. H. Yoo  1Advanced Welding and Joining Technical Service Center, Korea Institute of Industrial Technology, 7‐47 Songdo‐ Dong, Yeonsu‐Gu, Incheon 406‐840, Korea    The effect of SiC nanoparticle dispersion was investigated for microstructure change and mechanical properties of  Sn‐Bi  electroplated  alloys.  The  diameters  of  SiC  nanoparticle  in  this  study  were  45‐55nm.  The  SiC  nanoparticles  were mixed with Sn‐Bi electroplating and then the nanoparticles were dispersed with ultrasonic vibrator. After the  dispersion,  the  SiC  dispersed  Sn‐Bi  alloys  were  electroplated  on  Cu  deposited  Si  wafer.  The  microstructure  and  mechanical  properties  of  the  sample  were  evaluated  by  FE‐TEM,  FE‐SEM,  EDS,  and  shear  tester.  For  TEM  observation, the specimens were prepared by ultramicrotome and FIB. The SiC nanoparticles were well‐dispersed  in Sn‐Bi alloy. SiC particles were located near grain boundaries or grain inside. The average grain size of the solder  alloy was decrease about 30% compared with the grain size of Sn‐Bi alloy prepared in the same condition. Due to  the  grain  refinement  and  dispersion  hardening  by  SiC  nanoparticles,  the  SiC  dispersed  Sn‐Bi  alloy  is  expected  to  obtain high reliability and joining strength when it applied to interconnection materials.       ………………  DSL011  Dr. Iulia‐Mirela Britchi  Romanian Academy,   Institute of Physical Chemistry   "Ilie Murgulescu",  Bucharest, ROMANIA    

 

Surface Properties of 316L Austenitic Steel Improved by Simultaneous Diffusion  of Titanium and Aluminium  I. M. Britchi1, N. Ene1, M. Olteanu1, E. Vasile2 and P. Nita2  1 Romanian Academy, Institute of Physical Chemistry “Ilie Murgulescu”, Splaiul Independentei, 202,  Bucharest, ROMANIA  2  METAV – Research and Development, Bucharest, ROMANIA    Samples of 316L austenitic steel were submitted to a thermochemical treatment which implies a surface diffusion  of Al and Ti. The technique of pack cementation with NH4Cl as activator was employed. The powder mixture was  made of: aluminium, titanium, aluminium oxide and ammonium chloride. The same ratio of Al : Ti = 1 : 5 was used  in all experiments. The variables were temperature and time.   As  a  function  of  these  parameters,  diffusion  layers  of  different  thicknesses  were  obtained.  Thermochemical  treatment  by  pack  cementation  technique  needs high temperatures, over 900°C. The samples were analysed by optical  microscopy,  Fig.  1,  electronic  microscopy,  X‐ray  diffraction,  Vickers  microhardness trials and corrosion tests. All layers were formed by a diffusion  with  reaction  and  present  two  zones  with  different  structure  and  composition and therefore, different properties.      Fig.  1.  Optical  micrographs  of  a  cross  section  of  diffusion  layer  –  316L  austenitic steel substrate; with metallographic attack. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

281

        References  [1] Z. D. Xiang and P. K. Datta, Mater. Sci. Technol., 22, 10, 1177 (2006).  [2] R. Bianco, M. A. Harper and R. A. Rapp, J. Metals, Nov. 68 (1991).  [3] M. Britchi, N. Ene and M. Olteanu, J. Optoelectron. Adv. Mater., 10, 8, 2159 (2008).       ………………  DSL025  Mr. Mohammad Sadeghi  Material scince and Metallurgical Islamic   Azad University, Karaj Branch, Iran   

Improving Mechanical Properties of  Ductile Cast Iron by Continuse Heat  Treatment and Tin Trace Element  M.Sadeghi1‐ H.Sabet1 ‐ M.Abbasi1  1 Material scince and Metallurgical Islamic Azad University, Karaj Branch   P.o.Box:31485‐313.Fax:0261‐ 4418156.  E.Mail: [email protected]    In  this  study  the  effect  of  continuse  heat  treatment  and  alloying  of  trace  amount  of    tin  on  microstructure  and  mechanical  properties of ferritic‐pearlitic ductile iron has been investigated. Two standard Y‐block was designed   by in‐mold  process. [1] Calculations and simulation were done before moulding by the Sutcast software. In each  experiment,  different  chemical  analysis  were  applied.The  cooling  curve  of  solidification  was  recorded  by    the  datalogger  with  labview  software  and  using  S‐thermocouple  (Pt‐Rh)  attached  into  the  mold.  Then  Y‐block  was  shakout from molds and cooled in the air.  Standard  speciemen  were  machined  for  doing  mechanical  and  metallographic  exams.The  metallographic  exams  indicate that with increasing the rate of shakout time, the amount of pearlite in microstruture has been increased.  [2] The mechanical testing illustrated that with increase the rate of shakout time, hardness and  tensile strength  have  been  increased,  although  the  percentage  of  elongation  and  impact  energy  have  been  decreased.  [3]             [1] F.R.Juretzko ,J.Hitchings and D.M.Stefanesu, AFS Trans., Vol.115,p 046,IL USA, (2007)   [2] G.M.Goodrich and R.W.Lobenhofe, AFS Trans., Vol.115, p 045,IL USA, (2007)  [3] G. F. Vander Voort, Atlas of  T.T Diagrams  for  Irons and steels, V.Flint ASM Internatinal, USA,p755, (1991)      ………………  DSL121  Mr. Rasool Salekrostam  Department of Mechanical Engineering,   University of Tehran, Tehran, Iran   

Enhanced Mechanical Properties of Stainless Steel 316L  Via friction stir processing  R.SalekRostam*1, M. k. Besharati Givi2   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

282

1M.Sc student, Department of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran,[email protected]  2Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran, [email protected]    Friction stir processing is a solid state process to modify microstructure and mechanical properties of sheet metals  and  as‐cast  materials.  Friction  stir  processing  is  based  on  the  friction  stir  welding  (FSW)  technique  which  was  invented  by  The  Welding  Institute  (TWI)  in  1991  [1].    FSP  composites    usually  consist  of  four  different  regions:  (a)unaffected base metal;(b)heat affected zone(HAZ);(c)thermo‐mechanically affected zone (TMAZ) and (d)friction  stir processed (FSP) zone. The regions are affected by the material flow behavior under the action of rotating non‐ consumable tool. However, the material flow behavior is predominantly influenced by the FSW tool profile, FSW  tool dimensions, and FSW process parameters [2, 3]. In this process stirring action of the tool causes the material  to intense plastic deformation that yields a dynamical recrystallization. In this study the effect of FSP and process  parameters  on  microstructure  and  hardness  of  stainless  steel  316L  has  been  investigated.  Also  by  using  of  FSP,  composite  layer  of  SiC/316L  has  been  produced.  Results  show  that,  FSP  leads  to  finer  and  homogenized  grain  structure, as well as increased hardness of material. The composites produced by FSP have uniformly distribution  of SiC particles between the grains of base metal.    Keywords: Friction stir processing, Microstructure modification, Stainless steel, Hardness, MMC    References  [1] Thomas WM, Nicoholas ED, Needham JC,        Church MG, Templesmith P, Dawes CJ. GB patent application  9125978.8, December 1991; US patent 5460317, October 1995.  [2] Yingchun Chen, Huijie Liu, Feng Jicai, Mater. Sci. Eng. A 420 (2006)  21–25.  [3] H.J. Liu, Y.C. Chen, J.C. Feng, Scripta Mater. 55 (2006) 231–234.      ………………  DSL167  Dr. Hyeon‐Taek Son  Korea Institute of Industrial Technology,   1110‐9 Oryong‐dong, Buk‐gu, Gwangju,  506‐824, South Korea   

Effects of RE Additions on Grain Refinement and Texture of Hot   Extruded Mg‐Al‐Ca Based Alloys  Hyeon‐Taek Son1, Dae‐Guen Kim1, Seul‐Ki Park1, Young‐Mo Kim1, Jae‐Seol Lee1 , Chang‐Seog Kang1  1Korea Institute of Industrial Technology, 1110‐9 Oryong‐dong, Buk‐gu, Gwangju, 506‐824, South Korea    Magnesium  alloys  are  attractive  for  many  engineering  structural  application  owing  to  their  low  density,  high  specific  strength  and  easy‐recycling.  However,  the  use  of  magnesium  wrought  alloys  in  industrial  applications  is  still limited due to their lower strength and formability compared to other lightweight materials such as aluminum.  It is well known that micro‐alloying elements can improve the thermomechanical processing ability as well as the  mechanical properties of materials. The Mg–Al–Ca alloys contain thermally stable intermetallic compounds such as  Al2Ca, Mg2Ca or (Al,Mg)2Ca, which preferentially exist at the grain boundaries of the Mg‐based solid solution in  ingots [1,2]. These phases are typically brittle and coarse, thereby tending to debond from the magnesium matrix  during plastic deformation. For this reason, the workability of the Mg–Al–Ca alloys is rather poor. Plastic working,  however, can improve the formability by effectively decreasing grain size and fragmenting coarse compounds into  small particles. The limited room temperature formability of Mg alloys prevents the wider diffusion of this metal  for applications that would considerably benefit from its low density. The sharp texture typically seen in wrought  products  plays  a  large  role  for  the  room  temperature  formability  [3].  Among  various  approaches  attempted  to  weaken  the  texture,  rare‐earth  (RE)  alloying  element  additions  are  quite  promising  [3,  4].  In  this  study,  the 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

283

microstructure  behavior  (grain  refinement,  intermetallic  compound  formation  and  texture  evolution)  of  hot‐ extruded alloys with different RE additions (RE= Y, Nd or Sm) is investigated.     [1] H. Hu, R. Shang, N. Li, AFS Trans. 111 (2003) 1019.  [2] A. Suzuki, N.D. Saddock, J.W. Jones, T.M. Pollock, Scripta Mater. 51 (2004) 1005.  [3] J. Bohlen, M.R. Nurnberg, J.W. Senn, D. Letzig, S.R. Agnew, Acta Mater. 55 (2007) 2101.  [4] E.A. Ball, B. Prangnell, Scripta Metall. Mater. 31 (1994) 111.      ………………  DSL221  Dr. ABDI Said  Département de Science des Matériaux FGMGP,   USTHB, BP32, El‐ Alia, Bab Ezouar,   Alger, Algerie   

Interaction Mechanism of Copper Matrix and Particles                            Stainless Steel in the Composite Cu /Steel  1Département de Science des Matériaux FGMGP, USTHB, BP32,                                        El‐ Alia, Bab Ezouar, Alger, Algerie    The  materials  of  copper  alloys  have  a  nice  appearance  and  are  widely  used  as  engineering  materials  in  the  electrical industry because of their high corrosion resistance, high electrical and thermal conductivity.  However, it  has  a  low  mechanical  and  tribological  resistance.      For  that  we  prepared  by  sintering  a  series  of  copper  alloy  reinforced  with  stainless  steel  particles  at  different  proportion.  The  results  of  microstructure  analysis  and  phase  relationship  with  the  mechanical  tests  were  used  to  understand  the  mechanisms  of  interaction  matrix  reinforcement of new composite Cu / steel    Keywords: Sintering, Metallic, Matrix, Composite, Copper/ stainless steel        ………………  DSL277  Dr. Sandra Giacomin Schneider   University of São Paulo‐USP, EEL‐DEMAR, Lorena,   São Paulo, Brazil   

Effect of Different Heat Treatment Conditions on Microstructure and  Mechanical Properties of the Ti‐41Nb‐7Zr Biomedical Alloy  S.G. Schneider1, J.A. Hayashi1, S. Schneider1   1University of São Paulo‐USP, EEL‐DEMAR, Lorena, São Paulo, BR.    Titanium  based  alloys  have  been  widely  study  as  biomaterial  due  to  their  biocompatibility,  corrosion  resistance  and low elastic moduli. One of the more important biomedical titanium alloys, in the late years has been the Ti‐ 6Al‐4V, however, account of the toxicity of the elements Al and V, new alloys that not contain these elements are  achieving  a  great  attention  [1‐3].  And  tissue  reactions  studies  have  identified  Ti,  Nb,  Zr  and  Ta  as  non‐toxic  elements as they do not cause any adverse reaction in  human body [1‐3]. Furthermore, Nb and Ta are found to  reduce the elastic modulus when alloyed with titanium in certain preferred quantities [3‐4]. In recent years there  has been a significant development of novel implant alloys based on β Ti such as Ti–Nb–Zr and Ti–Nb–Zr–Ta alloys  systems because processing variables can be controlled to lead selected results [1‐2]. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

284

 The purpose of the present work was to study the microstructure and mechanical properties of the Ti‐41Nb‐7Zr  alloy  at  different  heat  treatments  conditions.  This  alloy  has  been  produced  by  arc  melting  under  argon  atmosphere. All ingots were submitted to sequences of heat treatment (1200ºC/24h and water quenching), cold  working by swaging procedures and other heat treatment (both 1200ºC/2h and water quenching, or 500°C/2h and  water quenching conditions). The microstructures, in as cast and heat‐treated condition, were examined by light  microscopy,  X‐ray  diffraction,  Vickers  hardness  tests.  The  mechanical  characterization  was  evaluated  through  uniaxial tensile tests. These results shows that Ti‐41Nb‐7Zr alloy exhibit a lower modulus than that of conventional  Ti alloys and the other mechanical properties are suitable for biomedical applications.    [1] X. Tang, T. Ahmed, H.J. Rack, J. Mater. Sci. 35, 1805 (2000).  [2] L.M. Elias, S.G. Schneider, S. Schneider, H.M. Silva, F. Malvisi, Mater. Sci. Eng. A 432, 108 (2006).   [3] M. Geetha, A.K. Singh, K. Muraleedharan, A.K. Gogia, R. Asokamani, J. Alloys Compd. 329, 264 (2001).  [4] Y. L. Zhou, M. Niinomi, T. Akahori, Mater. Sci. Eng. A 371, 283 (2004).      ………………  DSL305  Prof. Maria Helena Robert   University of Campinas,  Brazil   

Phase Transformations during Thixoforming of ASTM A536 60‐4‐18   Nodular Cast Iron   M.H. Robert1, R. Cristofolini2    1University of Campinas, SP, Brazil.  2 Univille, Joinville, SC, Brazil.    The potential ability of a certain alloy for thixoforming must gather some criteria such as its  solidification range,  the liquid fraction at eutectic temperature, and the sensitivity of liquid fraction with temperature [1]. Results so far  have determined the thixoability of several families of Al alloys [2]; however, given the more recent application of  the  semi‐solid  technology  for  ferrous  alloys,  a  little  has  been  done  to  establish  the  thixoability  of  such  family  of  alloys  and  to  understand  phase  transformations  during  thixoprocessing.  Particularly  for  cast  irons,  very  little  information can be found in the specialized literature, in spite of the importance of such family of alloys and the  potential  advantages  of  using  semi‐solid  technology  for  their  processing.  This  work  investigates  phase  transformations during thixocasting ASTM A536 60‐40‐18 nodular cast iron, which finds commercial application in  the  automotive  industry  as  several  cast  components.  Initially  thixoability  evaluation  is  made  through  thermal  analysis  by  DSC  test  and  via  thermodynamic  simulation  using  commercial  Thermocalc  software.  Liquid  fraction  sensitivities with temperature (dFl/dT) are determined, and thixoforming windows are suggested. Results indicate  that a thixoforming window in the order of 20C is available; in this range an eutectic transformation takes place  and  the  liquid  fraction  can  be  controlled. Thixotropic  slurries  were  produced and  resulting microstructures  were  analysed by OM, MEV, XRD and EDS microanalysis to discuss phase transformations taking place.  Results show the  feasibility of producing thixotropic semi‐solid of the studied cast iron, in spite of its narrow thixoforminhg window.  Graphite  nodules  are  strongly  affected  by  heating  and  processing  control  must  be  rigid  to  avoid  their  excessive  dissolution.       [1] D. Liu, H.V. Atkinson and H. Jones, Acta Materialia, 53, 3807 (2005).   [2] J. Lecomte‐Beckers, A. Rassili, M. Robelet, C.Poncin and R.Koeune, in Proceedings of the 9th International  Conference on “Semi‐solid Processing of Alloys and Composites”, Busan, 2006, p.55.      ………………  DSL345 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

285

Dr. Jae‐Seol LEE   Korea Institute of Industrial Technology,   1110‐9 Oryong, Buk‐gu, Gwangju, 500‐480,   Korea   

Microstructure and Texture Control of Cross Rolled AZ31 Mg Alloy Sheet  Jae‐Seol LEEa, Hyeon‐Taek SON, Ki‐Yong LEE, Soon‐Sub Park  Korea Institute of Industrial Technology, 1110‐9 Oryong, Buk‐gu, Gwangju, 500‐480, Korea  aCorresponding author: [email protected]     The applications of Mg alloys in automobile and aerospace industries are increasing progressively. This is because  of their low densities and their excellent properties such as heat dissipation, damping, electro magnetic shielding  and recycling. However, due to the hcp structure and low stacking fault energy of magnesium, Mg alloys only have  three independent active slip systems at (0001) basal plane, far below the five independent slip systems required  for  homogeneous  deformation.  As  a  result,  formability  of  Mg  alloy  sheets  at  room  temperature  is  rather  poor,  which  greatly  restricts  their  wide  use  in  industrial  applications.  It  is  reported  that  Mg  alloys  shows  excellent  formability at high temperature. The microstructure and mechanical properties of Mg alloys are highly dependent  on  their  primary  processing  such  as  cross  rolling,  different‐speeds‐rolling  (DSR),  equal  channel  angular  pressing  (ECAP)  and  equal  channel  angular  extrusion  (ECAE).  In  particular,  cross  rolling  is  expected  to  improve  the  grain  refinement, mechanical properties and formability. Thus, it is well known that fine‐grained magnesium alloys show  super‐plasticity in a low strain rate range at elevated temperature. The roll of cross rolling was tilted by 2.5o – 10o  against  TD  in  the  RD–TD  plane,  comparing  to  normal  rolling.  In  this  study,  the  relationship  between  the  deformation processes and the elongation characteristics at elevated temperature is investigated by tensile tests  for the cross rolled AZ31 Mg alloy sheets.       ………………  DSL449  Dr. M. Mosallaee Pour  Materials and Mineral faculty,   Yazd University,   Iran   

Microstructure‐Mechanical Properties Relationship in TLP Bonded IN‐ 738LC/BNi‐3/IN‐738LC Samples  M. Mosallaee1, A. Ekrami2, K. Ohsasa3 and K. Matsuura4  1‐ Assistance professor, Materials and Mineral faculty, Yazd University, Iran.  2‐ Professor, Materials Faculty, Sharif University of Technology‐Iran.  3‐ Professor, Akita UniversityUniversity‐ Japan.  4‐ Professor, Graduate School of Engineering, Hokkaido University‐Japan.    High content of g’ promoting elements in the chemical composition of IN‐738LC reduces significantly weldability of  this  nickel‐base  superalloy  [1,  2].  In  the  current  research,  effect  of  TLP  bonding  temperature  on  the  developed  micro‐constituents in the TLP bonding area was investigated. A critical bonding temperature (Tcr) was defined for  TLP  bonding  of  IN‐738LC/BNi‐3/IN‐738LC  samples.  Optical  and  Scanning  electron  microcopies  were  utilized  for  microstructural studies. WDS‐EPMA analysis accompanied with transmission electron microscopy (TEM) was used  for detecting constituents in the TLP area. Unlike bonding below Tcr, TLP bonding at temperatures higher than Tcr  resulted  in  formation  of  individual  g‐g’  colonies  in  the  adjacent  base  alloy  to  TLP  bonding  zone.  Furthermore,  isothermal  solidification  kinetic  was  reduced  in  these  samples  significantly.  Microhardness  and  three‐point  bending  tests  were  carried  out  for  determining  the  relationship  between  mechanical  properties  and  developed  microstructure in the TLP bonding area. 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

286

   Key words: TLP bonding, g‐g’ cell, bending test, IN‐738LC, BNi‐3, Microstructure    [1]‐ O.A. Ojo, N.L. Richards and M.C. Chaturvedi, Scripta Materialia, 51, 683, (2004).   [2]‐ O. A. Ojo, N. L. Richards and M. C. Chaturvedi, Scripta Materialia, 50, 641, (2004).       ………………  DSL462  Mr. Faraj Tati Khanuordi   Faculty of Mechanical Engineering,  K.N. Toosi University of Technology,   Tehran, Iran   

Effect of Predeformation and Heat Treatment on Microstructure and  Mechanical Properties of AL 6061  F.tati‐khanuordi, M.aghaei‐khafri  Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.    In this research effect of predeformation and heat treatment on microstructure and mechanical properties of AL  6061 was investigated. The samples were rolled in different percent of deformation.After predeformation process  the majority of structure was spherodies, anyway by increasing the predeformation rate the shape factor reduced  in this process. According to observation the best process was tempering at 620 ˚C for 10 min for specimen with  35%  deformation.  It  was  proved  each  increasing  on  temperature  and  time  caused  grains  coarsing  and  grain  growth, therefore the yield point and mechanical properties got worse. Optical and Scanning Electron Microscopic  methods, tensile and hardness tests have been used to evaluate the microstructure and mechanical properties. It  seems,  increasing  in  amount  of  predeformation,  cause  for  improved  mechanical  properties  and  microstructure.  The grain size was achieved by more deformation.    [1]Lee  Sang‐Yong,  Lee  Jung‐Hwan,  Lee    Young‐Seon,  Journal  of  material  processing  Technology  111(2001)  42‐47  [2]Nursen Saklakoglu , I. Etem Saklakoglu , Metin Tanoglu ,Ozgu Oztas , Onder Cubukcuoglu , Journal of Materials  Processing Technology 148 (2004) 103–107      ………………  DSL463  Mr. Mojib Amirkamali   Faculty of Mechanical Engineering,   K.N. Toosi University of Technology,   Tehran, Iran   

Precipitate Type Effect on Microstructure and Mechanical Properties of 17‐4 PH   Stainless Steel during Different Heat Treatment Processes  M.Amirkamali, M.aghaei‐khafri, D.Azimi‐yancheshmeh  Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.    The microstructure and mechanical properties of 17‐4 PH stainless steel after solution heat treatment and aging  processes was studied. Samples were divided to six batches that used for aging. After solution heat treatment, the  structure  included  lath  martensite.  Precipitate  particles  were  appeared  after  aging  processes.  The  group  of  specimens  was  aged  at  400˚C  for  35  hour,  has  showed  the  best  distribution  of  precipitates.  Also  this  group  of  samples has showed optimum quantity of tensile and fatigue strength. It observed this aging process has resulted 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

287

mitigation  on  mechanical  properties  rather  than  standard  methods.  During  the  process,  the  size  of  precipitate  particles  and  their  coherency  were  improved.  Optical  and  Scanning  Electron  Microscopic,  tensile,  fatigue  and  hardness  tests  have  been  used  to  evaluate  the  microstructure  and  mechanical  properties.  It  seems,  by  the  modification between time and temperature, along with better tensile and fatigue strength, improved toughness  and microstructure will be achieved.     [1] Jun Wang, Hong Zou, Cong Li, Yanhua Peng, Shaoyu Qiu, Baoluo Shen, Nuclear Engineering and Design, Volume  236, Issue 24, December 2006, Pages 2531‐2536  [2] Jun Wang, Hong Zou, Cong Li, Shao‐yu Qiu, Bao‐luo Shen, Materials Characterization, Volume 57, Issues 4‐5,  December 2006, Pages 274‐280      ………………  DSL465  Mr. Danial Azimi Yancheshmeh   Faculty of Mechanical Engineering,  K.N. Toosi University of Technology,   Tehran, Iran   

Effects of semisolid and ECAP processes on microstructure and  mechanical  properties of AA7075  D.Azimi‐Yancheshmeh, M. aghaei‐khafri, M.Amirkamali  Faculty of Mechanical Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.    In this study, effect of equal channel angular pressing (ECAP) and semisolid processes on AA7075 (aluminum) was  investigated.  All  specimens  tolerated  different  passes  for  ECAP  and  different  temperature  for  semisolid  process.  The best condition was 6 ECAP passes at 630˚C for 15 min. After semisolid and ECAP processes, structure with fine  spherical  grains  (around  2µ)  was  appeared.  It  was  observed,  having  both  ECAP  and  semisolid  processes  can  improve mechanical properties and microstructure better than condition that has only one of them. However the  microstructure by using this process was better than received sample. Optical and Scanning Electron Microscopic  methods,  tensile  and  hardness  tests  have  been  used  to  evaluate  the  microstructure  and  mechanical  properties.  The H13 (1.2344) steel was used as an ECAP mold material for deformation. The mold for ECAP propose had two  equal  channels  (1cm×1cm)  with  90  degree  between  them.  It  seems,  we  can  achieve  Nono‐structure  and  better  mechanical properties by increasing the number of passes and decreasing the ECAP angle.    [1]  Bing  Q.  Hana,  Terence  G.  Langdon,  Materials  Science  and  Engineering  A  410–411  (2005)  435–438  [2] S. Hossein Nedjad , H. Meidani , M. Nili Ahmadabadi, Materials Science and Engineering A 475 (2008) 224–228  SS6 ‐ LUCIA‐Microstructural control through diffusion processes)                 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

288

       

          SPECIAL SESSION ON:  Frontiers of Nanostructured Materials  ORAGANISED BY:    Prof. Dr. A. Shokuhfar   K.N.Toosi University of Technology  IRAN   [email protected]    Prof. Dr. H.R. Rezaei   Iran University of Science and Technology,  IRAN  [email protected]                           DSL050  Prof. Kijung Yong  Department of Chemical Engineering,  Pohang University of Science and Technology,  Korea   

Low Temperature Solution Synthesis of ZnO   Nanowires Array and Heteronanostructures  Kijung Yong, Youngjo Tak 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

289

Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology  (POSTECH), Pohang 790‐784, Korea, E‐mail: [email protected]    The  assembly  of  1D  nanostructure  in  the  fabrication  of  nanoelectronic,  nanophotonic  and  energy  devices  is  currently  attracting  significant  attraction.  In  particular  heteronanostructures  are  useful  for  the  realization  of  multifunctional nanodevices because they  are composed of different materials. In this paper we  present a facile  solution  based  synthetic  route  for  the  fabrication  of  ZnO  nanowire  arrays  and  various  heterostructures  of  ZnO  nanowires such as CdS/ZnO, Co3O4/ZnO and SiC/ZnO nanowires. Simple twostep solution methods were applied  to  synthesize  these  ZnO  nanowire  heterostructures.  Synthesized  heteronanostructures  were  characterized  using  SEM,  TEM,  XRD  and  XPS.  Basic  growth  mechanism  was  investigated  for  heteronanostructures.  Also,  the  applications of these novel heteronanostructures were studied.  Photocatalytic  properties  of  the  heteronanostructures  were  studied  using  UV/visible  light  decomposition  of  organic dyes and the results were compared with bare ZnO nanowire sample. Heteronanostructures have showed  much  enhanced  photocatalytic  efficiencies  and  the  mechanism  will  be  discussed.  Also,  solar  energy  conversion  devices  were  fabricated  using  ZnO  nanowire  heterostructures  as  photoanodes  and  discussion  regarding  this  nanodevice will be presented.      ………………  DSL317  Dr. Isabel Cristina Atias Adrian  Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria   Chimica, Politecnico di Torino, Turin, Italy   

Hydrogen Absorption/Desorption in Nanostructured Doped Mg2Ni Alloys  I.C. Atias‐Adrian1, F.A. Deorsola1, G.A. Ortigoza2, B. DeBenedetti1, M. Baricco3  1Dipartimento di Scienza dei Materiali ed Ingegneria Chimica, Politecnico di Torino, Turin, Italy 2Dipartimento di  Energetica, Politecnico di Torino, Turin, Italy 3Dipartimento di Chimica IFM and NIS, Università di Torino, Turin,  Italy    Mg2Ni,  Fe‐doped  Mg2Ni  and  Ti‐doped  Mg2Ni  alloys  for  hydrogen  storage  applications  have  been  produced  by  means  of  Mechanically  Activated  Self‐propagating  High  temperature  Synthesis  (MASHS).  Different  process  parameters, such as the milling time for mechanical activation, the precursors stoichiometry and the SHS reaction  time  have  been  investigated.  MASHS  technique  and  the  optimisation  of  its  process  parameters  have  been  demonstrated  to  be  effective  for  the  obtainment  of  nanostructured  pure  and  doped  Mg2Ni  intermetallics.  Different  Mg‐Ni  based  alloys  have  been  tested  in  order  to  study  their  hydrogen  sorption  behavior.  The  hydrogenation was carried  out in a Pressflow  Gas  Controller  (20  bar,  300°C).  Subsequently the  dehydrogenation  process was conducted following the kinetic by means of a Differential Scanning Calorimetry (DSC) equipped with  an  H2  detector  of  the  purged  gas.  The  effect  of  the  heating  rate  (in  the  range  from  3°C/min  to  30  °C/min)  on  hydrogen  desorption  was  determined.  The  morphology  of  the  samples  after  the  hydrogen  absorption  and  desorption processes was studied by means of Field Emission Scanning Electronic Microscopy (FESEM), while X‐ray  diffraction (XRD) was used to evaluate the phase composition, the crystal structure and the coherent domain size.  The materials produced showed hydrogen storage capacities superior to 4wt%, especially in the case of Fe‐doped  Mg2Ni  and  a  light  reduction  of  the  desorption  temperature  was  reached  with  Ti‐doped  Mg2Ni.  Finally  the  activation energy of the hydrogenation process was evaluated. An obtained result appears significant for possible  technological applications of Mg‐based alloys.      ………………  DSL452  Mr. Seunghyup Lee  

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

290

Department of Chemical Engineering,  Pohang University of Science and Technology (POSTECH),  Pohang 790‐784, Korea   

Atomic Layer Deposition of Hafnium Silicate   Nano‐Films Using Various Precursors   S. Lee, J. Kim and K. Yong  Department of Chemical Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Pohang 790‐784,  Korea.    Atomic  layer  chemical  vapor  deposition  (ALCVD)  of  hafnium  silicate  films  (HfxSi1‐xO2)  using  various  kinds  of  alkoxide and amido precursors were compared. For the comparisons, hafnium silicate films were grown by ALCVD  using hafnium‐(tetra‐tert‐butoxide) [Hf (OC(CH3)3)4 – HTB] and silicon amido precursors: tetrakis‐(diethylamino)‐ silane [Si(N(C2H5)2)4 – TDEAS] and tetrakis‐(dimethylamino)‐silane [Si(N(CH3)2)4 – TDMAS]. With using HTB and  silicon  amido  precursors,  the  growth  rates  of  hafnium  silicate  films  were  generally  higher  compared  to  the  film  growth  using  silicon  alkoxide  and  hafnium  amido  precursors.  In case  of atomic concentration  of the  films,  when  HTB  and silicon amido precursors  were  used, the  films were hafnium‐rich  compositions. The  thermal  stability  of  HTB  was  investigated  at  the  same  deposition  condition  and  system.  We  could  observe  that  HTB  was  thermally  decomposed  at  the  deposition  temperature  above  250  oC.  Moreover,  even  less  than  250  oC  deposition  temperatures,  HTB  react  with  residual  oxygen  and  water  vapor  inside  the  chamber  and  form  a  film.  It  seems  apparent that the instability of HTB cause the high growth rate and hafnium‐rich composition of grown films.       ………………  DSL141  Dr. Massimo Celino  ENEA, FIM Department,   CR Casaccia,   Via Anguillarese 301,   00123 Rome, Italy   

Metallographic and Numerical Studies on the Role of Catalyst Particles  of MgH2‐Mg System  M. Celino1, A. Montone1, F. Cleri2, A. Aurora1,  D. Mirabile Gattia1, S. Giusepponi1, M. Vittori Antisari1  1 ENEA, FIM Department, CR Casaccia, Via Anguillarese 301, 00123 Rome, Italy.  2 IEMN‐CNRS, Université des Sciences et Technologies de Lille,  Villeneuve d’Ascq Cedex, France.    Magnesium  is  one  of  the  most  promising  materials  for  hydrogen  storage  due  to  its  high  capacity  and  low  cost.  Unfortunately,  practical  applications  are  for  the  moment  limited  by  the  slow  kinetics  and  the  high  operating  temperature. Nanostructuring magnesium hydride MgH2, generally by ball milling, introduces plastic deformations  and  catalysts  that  highly enhances  the H2  absorption  and desorption.  However a fundamental  understanding  of  the role played by catalysts and interfaces in the MgH2 is still lacking. Microscopic characterization of MgH2‐Mg  system  with  and  without  heavy  metal  catalysts  is  achieved  by  combining  accurate  SEM  observations  of  samples  after  partial  desorption  process  [1]  and  atomic  level  ab‐initio  molecular  dynamics  simulations  of  MgH2‐Mg  interfaces  [2].  The  experimental  method  is  based  on  low  voltage  SEM  observations  of  cross  sectional  powder  samples,  prepared  by  a  new  specific  metallographic  process.  Identification  of  nucleation  sites  of  the  sorption  reaction  and  their  correlation  with  the  presence  of  catalyst  particles  is  achieved  by  suitable  experimental  conditions.  Moreover  ab‐initio  molecular  dynamics  clarifies  the  interplay  of  interfaces  and  the  deformations  induced during desorption by the presence of catalysts that are able to lower binding energies and free hydrogen 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

291

atoms  toward  interfaces.  Both  approaches  confirm  and  characterize  the  nucleation  step  in  the  catalysts  driven  phase transformation.    [1] M. Vittori Antisari, A. Montone, A. Aurora, M. R. Mancini, D. Mirabile Gattia, L. Pilloni, accepted on  Intermetallics.  [2] A. Aurora, M. Celino, F. Cleri, D. Mirabile Gattia, S. Giusepponi, A. Montone, M. Vittori Antisari, in Mobile  Energy, edited by G. Amaratunga, A. Nathan, M. Nookala, M.C. Smart (Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Volume 1127E,  Warrendale, PA, 2009), paper number 1127‐T07‐07.      ………………  DSL170  Prof. Fatiha Kail  GRMT, Department of physics,   University of Girona,   Campus Montilivi,Edif. PII,   E‐17071, Girona, Spain   

Hydrogen Diffusion Studies in Nano‐Structured Silicon by Thermal Analysis  F. Kail1, J. Farjas1, P. Roura1, and P. Roca i Cabarrocas2  1 GRMT, Department of physics, University of Girona, Campus Montilivi,Edif. PII, E‐17071, Girona, Spain  2 LPICM, UMR 7647CNRS, Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau Cedex, France    Hydrogenated  amorphous  (a‐Si:H)  and  nanostructured  (ns‐Si:H)  silicon  materials  are  currently  used  in  large‐area  devices, such as solar cells and liquid crystal displays. A better understanding of hydrogen incorporation, diffusion  and  evolution  in  these  materials  will  facilitate  the  development  of  Si:H  related  materials  and  devices  with  improved electronic properties and stability [1,2]. We have undertaken a research to identify and characterize the  diffusion  of  molecular  hydrogen  in  ns‐Si:H  thin  films.  These  materials  contain  Si  nanocrystals  embedded  in  an  amorphous Si matrix.  In addition to the well‐known Evolved Gas Analysis (EGA) technique, traditionally used for these kinds of studies,  we have used a Differential Scanning Calorimetry (DSC). DSC is the best suited technique to measure the energy  exchange when hydrogen evolves [4], while EGA is one of the most successful methods to monitor H‐desorption  and  H‐characterization  in  Si:H  materials  [3].  From  the  simultaneous  measurement  of  the  energy  exchange  and  hydrogen  desorption,  we  have  obtained  valuable  information  about  the  H  evolution  and  the  H  transport  mechanism in ns‐Si:H.  Experimental  evidence of molecular hydrogen  diffusion  is  given. A  simple diffusion model  shows good agreement with the experimental data.    References  [1] P.G. LeComber, R.J. Loveland, W.E. Spear and R. A. Vaughan. In: J. Stuke and W. Brenig, Editors, Amorphous and  Liquid Semiconductors, Taylor and Francis, London (1974), p. 245.  [2] D. Kaplan, N. Sol y G. Velasco, Appl. Phys. Lett., 33, 440 (1978).  [3]. W. Beyer, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 78, 235 (2003)  [4] P. Roura, J. Farjas, C. Rath, J. Serra‐Miralles, E. Bertran, P. Roca i Cabarrocas, Phys. Rev. B 73, 085203 (2006).      ………………  DSL184  Prof. Mehrdad Vahdati  Mechanical Engineering Faculty,  K.N.Toosi Univ. Of Tech., Tehran,  Iran   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

292

Air Characteristics in Air Turbine Spindle of Ultra Precision Machines  M. Vahdati1, E. Azimi1, A.Shokouhfar1  1 Mechanical Engineering Faculty, K.N.Toosi Univ. Of Tech., Tehran, Iran    Air Spindles have been used in ultra precision machines for several years because of their advantages such as high  speed rotation, low friction, and low vibration,[1]. Air spindles are widely used in these machines for production of  precise  work  pieces.  Although,  spindles  function  on  a  very  complicated  theoretical  basis,  [2,3]  their  structure  is  very  simple  and  consists  of  mainly  a  rotor  and  a  stator.  The  rotor/stator  could  be  made  of  different  shapes.  A  cylindrical shape is the one commonly in use. The spindle designed in this work has a spherical configuration. It has  been designed with this configuration because it could be moved without application of an electric motor and only  by a wind turbine system, [4]. The spindle studied in this research uses compressed air for rotor suspension, and  has  an  air  turbine  for  rotating  its  shaft.  A  thin  air  film  acts  as  bearing  layer  between  rotor  and  stator.  In  design  procedure operation parameters such as air inlet pressure for turbine, air inlet pressure for bearing, diameter of  turbine  nuzzles,  diameter  of  bearing  nuzzles,  clearance  between  rotor  and  stator  and  etc,  [5],  have  been  considered. A prototype spindle has been manufactured using design criteria. The influence of above mentioned  parameters have been recognized through experiments.    [1] The Design of Pressurized Gas Bearings, G.L.Shires, TRIBOLOGY, November (1966)  [2] Design Data and A Manufacturing Technique for Spherical Hydrostatic Bearings in Machine Tool Applications W.  B. Rowe and K. J. Stout (15 March 1971)  [3] Design Data for Externally Pressurized Spherical Gas Bearings, K.J. Stout and M. Tawfik, TRIBOLOGY  International, June (1977)  [4] K. J. STOUT and W. B. ROWE, ‘Externally externally pressurized bearings design for Manufacture Part I ‐ journal  bearing selection’ TRIBOLOGY international, June (1974)  [5] Design procedures for orifice compensated gas journal bearings based on experimental data E.G. Pink and K.J.  Stout TRIBOLOGY international February (1978)      ………………  DSL189  Dr. Annalisa Paolone  Sapienza Università di Roma,   Dip. Fisica, Piazzale A. Moro 2,  I‐00185 Roma, Italy   

The Structural Phase Transition of Ammonia Borane:   Effects of its Dispersion in Nanoscaffolds  A. Paolone1,2, O. Palumbo1,3, P. Rispoli1, R. Cantelli1, T. Autrey4, A. Karkamkar4  1 Sapienza Università di Roma, Dip. Fisica, Piazzale A. Moro 2, I‐00185 Roma, Italy  2 Laboratorio Regionale SuperMAT, CNR‐INFM, Salerno, Italy  3 CNISM – Dip. Fisica, Sapienza Università, Piazzale A. Moro 2, I‐00185 Roma, Italy  4 Pacific Northwest National Laboratory, 908 Battelle Blvd., Richland, WA 99352, USA    Ammonia borane, NH3BH3, is currently attracting noticeable interest in the field of solid state hydrogen storage  due to  its high  hydrogen content (19  wt%).  In  the  present study the  structural phase  transition of  NH3BH3 bulk  powder  around  220  K  was  investigated  combining  anelastic  spectroscopy  and  DSC  measurements.  In  the  fully  hydrogenated compound, DSC indicates that the transition involves a latent heat and, therefore, is of first order.  Anelastic spectroscopy measurements conducted in quasi‐static conditions show a very narrow hysteresis between  cooling and heating (~0.4 K) and allow the transformation kinetics to be recorded in detail.[1] Partial deuteration  results  in  a  slowing  down  of  the  transformation  kinetics.  Furthermore,  the  transition  is  slightly  shifted  to  higher  temperature in ND3BH3 and NH3BD3 (~0.7 K). In NH3BH3 a thermally activated relaxation peak is revealed around 

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

293

100 K for a sample vibration frequency of ~1 kHz and it is attributed to the dynamics of the rotations and torsions  of  the  NH3‐BH3  groups.  The  deuterated  samples  present  also  additional  processes,  whose  origin  is  under  investigation.  It was recently reported that the infusion of ammoniaborane into meso‐porous silica has beneficial effects on the  desorption  rates  at  low  temperature,  on  the  contamination  of  hydrogen  from  borazine  and  on  the  dehydrogenation enthalpy [2]. We investigated to which extent the basic physical properties of ammonia borane  are  preserved  when  this  compound  is  dispersed  in  porous  silica  scaffolds.  In  particular  we  studied,  for  the  first  time, the structural phase transition in ammonia borane dispersed in a MCM‐41 nanoscaffold by means of DSC and  anelastic  spectroscopy.  We  found  that  NH3BH3  finely  dispersed  in  the  channels  of  mesoporous  silica  does  not  undergo the structural phase transition present in the bulk, thus proving that nanoconfining drastically affects the  molecular interactions. [3]    [1] A. Paolone et al., J. Phys. Chem. C doi 10.1021/jp810708g  [2] A. Gutowska, et al., Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 3578‐3582  [3] A. Paolone et al., J. Phys. Chem. C, submitted      ………………  DSL196  Mrs. Suriati Sufian  Petronas University,  Malaysia   

Optimization for Development of Carbon Nanotubes Using   Taguchi Method at Constant Temperature  S. Sufian1, S. Yusup1, F.R. Ahmadun2  1 Universiti Teknologi PETRONAS, 31750 Tronoh, Perak, Malaysia. 2Universiti Putra Malaysia, 43400 Serdang,  Selangor, Malaysia.    In this study, an optimization of floating catalyst chemical vapor deposition (FC‐CVD) using Taguchi method is done  in developing multiwall carbon nanotubes (MWNTs) at constant temperature. The reaction is run at temperature  of 850°C in atmospheric pressure with ferrocene as the catalyst precursor and benzene as the carbon feedstock. By  applying Taguchi’s method as the design of experiment, three parameters that are reaction time, hydrogen flow  rate  and catalyst  weight have  been varied  during  the  optimization  of  the  experiment.  The results show  that  the  BET specific surface area increases as the reaction time increases, the degree of graphitization reduces as the mass  of the catalyst increases and the relative value of amorphous carbon to graphite carbon decreases as the hydrogen  flow rate increases.      ………………  DSL228  Prof.  L. Q. Wang  Department of Mechanical Engineering,   the University of Hong Kong,Pokfulam Road,   Hong Kong   

Frontiers in Nanofluids  L. Q. Wang  Department of Mechanical Engineering, the University of Hong Kong,  Pokfulam Road, Hong Kong ([email protected])   

DSL‐2009 / Rome ‐ ITALY                                   ABSTRACT BOOK 

294

Nanofluids  are  a  new  class  of  fluids  engineered  by  dispersing  nanometer‐size  structures  (particles,  fibers,  tubes,  droplets) in base fluids. The very essence of nanofluids research and development is to enhance fluid macroscopic  properties  such  as  thermal  conductivity  through  manipulating  microscopic  physics  (structures,  properties  and  activities).  Therefore,  the  success  of  nanofluid  technology  depends  very  much  on  how  well  we  can  address  questions like how to effectively manipulate at nanoscale, what is the macroscopic manifestation of microscopic  physics,  and  how  to  optimize  microscopic  physics  for  optimal  macroscopic  properties.  In  this  presentation  we  review  methodologies  available  to  effectively  tackle  these  central  but  difficult  problems  and  identify  the  future  research  needs  as  well.  While  our  focus  is  on  thermal  nanofluids  (the  heat‐conduction  fluids  in  particular),  the  methodologies are equally valid for the other types of nanofluids.      ………………  DSL303  Prof. Jun Onoe   Tokyo Institute of Technology,  Japan 

One‐dimensional peanut–shaped C60 polymer as a new quantum system 

J. Onoe1*, T. Ito2, H. Shima3, Y. Toda3, H. Yoshioka4, and S. Kimura2  1 Tokyo Institute of Technology, Meguro, Tokyo 152‐8550, JPN.  2 Institute for Molecular Science, Okazaki, Aichi 444‐8585, JPN.  3 Hokkaido University, Sapporo, Hokkaido 060‐8628, JPN.  4 Nara Women’s University, Nara 630‐8506, JPN    We found that electron‐beam (EB) induced polymerization of C60 results in formation of a peanut‐shaped C60  polymer with metallic electron‐transport properties in air at room temperature [1].  The temperature dependence  of the photo‐excited carriers lifetime for the peanut‐shaped polymer indicated the energy gap formation at below  50 K in a similar manner to the Peierls transition of quasi one‐dimensional (1D) metallic materials such as K0.3MO3  [2].  More recently, we examined the valence photoelectron spectra of the polymer, using in situ high‐resolution  ultraviolet photoelectron spectroscopy, and have observed the Tomonaga‐Luttinger liquids (TLL) behavior as well  as for metallic single‐walled carbon nanotubes [3].  These facts evidence that the peanut‐shaped C60 polymer is a  1D  metal.    In  addition,  as  shown  in  FIG  1,  the  1D  peanut‐shaped  C60  polymer  has  both  positive  and  negative  Gaussian curvatures ( ) lined alternatively and periodically.   To our best knowledge, this polymer can be classified  as  a  new  ‐electron  conjugated  carbon  allotrope  unlike  graphite  (k  =  0),  fullerenes  (k  >  0),  nanotubes  (k  =  0  at  body, k > 0 at cap edge), and hypothetical Mackay crystal (k