Rascherhitzte metastabile Legierungen mit neuartigen Gefügen und Oberflächentopographien
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Cu44Zr44Al8Hf2Co2 (CuZr) und Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 (TiCu) massive metallische Gläser (MMGs) wurden in einem Aufheizratenbereich von 9 bis 1579 K/s rascherhitzt. Dabei wurde mittels in-situ Synchrotronstrahlungsexperimenten die Phasenbildung unter kinetischen Zwangsbedingungen untersucht. Im Gegensatz zu CuZr-MMGs, führen die kinetischen Zwangsbedingunen bei TiCu- MMGs zu keiner Bildung von metastabilen und duktilen Phasen wie z.B. der B2 Phase. Stattdessen kristallisierten spröde Phasen. Mit steigender Aufheizrate wurde zuerst die Bildung der Ti 3Cu4 und dann Ti2Pd3-basierten Phasen unterdrückt. Die Ti2Pd-basierte Phase kristallisierte bei jeder Auheizrate und zeigte eine hohe Wachstumsrate. Aufgrund der starken Agglomeration der Ti2Pdbasierten Kristalle, konnte die Kristalldichte und somit Kristallisationskinetik abhängig von der Aufheizrate nicht bestimmt werden. Die Bildung von spröden Phasen führte zu rissigen Proben die eine mechanische Charakterisierung unmöglich machten. Die in-situ Synchrotron-Rascherhitzungsversuche der CuZr-MMGs zeigten unerwartete und hochinteressante wissenschaftliche Ergebnisse. Sie deuteten an, dass die unterkühlte Schmelze der CuZr-Legierung geordnete Struktureinheiten (unterkrit. Keime) aufweist. Deren Wachstum scheint während der Rascherhitzung stimuliert zu werden. CuZr-MMGs, die bis zu Temperaturen des unterkühlten Schmelzbereichs rascherhitzt und anschließend im Druckversuch zerbrochen wurden, zeigten verformungsinduzierte B2 CuZr Nanokristalle - im Gegensatz zu gegossenen CuZr-MMGs. Während der Rascherhitzung von MMGs erhöht sich bei der Entglasung auch die strukturelle Unordnung durch Entstehung von freiem Volumen. Mittels rascherhitzten CuZr-MMGs und molekulardynamischen Simulationen wurde gezeigt, dass nicht nur der Gehalt, sondern v.a. die Verteilung des freien Volumens die Bildung und Ausbreitung von Scherbändern (SBs) bestimmt. SBs sind die Träger der plastischen Verformung in MMGs. Eine Anlage zur thermoplastischen Prägung und Untersuchung der Viskositätsabnahme von MMGs wurde erfolgreich aufgebaut und getestet. Diese sogenannte thermoplastische Prägeeineheit wurde in einer Zug-Druck-Prüfmaschine kraftkontrolliert betrieben und ermöglicht die Rascherhitzung von MMGs in einem Aufheizratenbereich von 9 – 1830 K/s. Nebst Temperatur, konnten die Eindrucktiefe des Stempels in der MMG-Probe sowie deren elektr. Widerstand zeitabhängig für alle Aufheizraten charakterisiert werden. Die Änderung der Eindringtiefe erlaubte es auf den Viskositätsabfall während der Entglasung von MMGs Rückschlüsse zu ziehen. Ein transienter Effekt des Viskositätsabfalls beim Glasübergangs bei rascherhitzten MMGs (1046 K/s) konnte nicht eindeutig beobachtet werden. Mit der Anlage wurden erfolgreich nanoskalige Oberflächentopographien von MMGs hergestellt. Dies war bei hohem Druck 100 MPa und verhältnismäßig niedrigen Aufheizraten (20 K/s) möglich. Bei höheren Aufheizraten konnte die unterkühlte Schmelze nicht ausreichend lang in die Löcher der Membran fließen. Membrane wurden beim thermoplastischen Prägen als Negativform benutzt. Zur Erzeugung von nanoskaligen bzw. mikroskaligen Oberflächentopographien wurden Al2O3- bzw. Si- Membrane benutzt. Die unterkühlte Schmelze benetzte letztere Membrane nur unzureichend, so dass auch bei höherem Druck (130 MPa) die Oberfläche von MMGs nicht strukturiert werden konnte. Dies verhinderte die Herstellung von hierarchischen Oberflächentopographien. Die Anlage stellt hohe Anforderungen and die Probengeometrie (20 x 6 x 0,6 mm3), die für Legierungen mit niedrigerer Gasbildungsfähigkeit u.U. nicht gegossen werden kann. Daher wurden additiv gefertigte MMGs hergestellt und deren thermoplastisches Verformungsverhalten untersucht. Gegosse ne und additiv gefertigte MMGs zeigen einen nahezu gleichen Viskositätsabfall beim Entglasen. Die im Rahmen dieses Projekts durchgeführten Experimente warfen zusätzliche Probleme und Fragen auf, die in Zukunft angegangen werden sollen. Darüber hinaus wäre es interessant, unseren Ansatz zum thermoplastischen Prägen auf additiv gefertigte massive metallische Gläser auszuweiten. Die additive Fertigung von metallischen Gläsern kann ein großes Potenzial birgen und sollte daher in naher Zukunft mehr an Bedeutung gewinnen. Dieses Projekt hat zu einem besseren Verständnis der zugrundeliegenden strukturellen Veränderungen beigetragen die während der Rascherhitzung von MMGs auftreten und die währenddessen thermoplastisch geprägt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Glass-forming ability, phase formation and mechanical properties of glass-forming Cu-Hf-Zr alloys, Progress in Natural Science: Materials International, 29, 576–581 (2019)
K. Kosiba, K. K. Song, U. Kühn, G. Wang, S. Pauly
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2019.08.009) - Modulating heterogeneity and plasticity in bulk metallic glasses: Role of interfaces on shear banding, International Journal of Plasticity, 119, 156-170 (2019)
K. Kosiba, D. Sopu, S. Scudino, L. Zhang, J. Bednarcik, S. Pauly
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.03.007) - Fast-current-heating devices to study in situ phase formation in metallic glasses by using high-energy synchrotron radiation, Review of Scientific Instruments 91, 073901 (2020)
J. Orava, K. Kosiba, X. L. Han, I. Soldatov, O. Gutowski, O. Ivashko, A.-C. Dippel, M. v. Zimmermann, A. Rothkirch, J. Bednarcik, U. Kühn, H. Siegel, S. Ziller, A. Horst, K. Peukert, R. Voigtländer, D., I. Kaban
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/5.0005732) - Guiding shear bands in bulk metallic glasses using stress fields: A perspective from the activation of flow units, Physical Review B 102, 134113 (2020)
K. Kosiba, S. Scudino, J. Bednarcik, J. Bian, G. Liu, U. Kühn and S. Pauly
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.134113) - Phase formation of a biocompatible Ti-based alloy under kinetic constraints studied via in-situ highenergy X-ray diffraction, Progress in Natural Science: Materials International 30, 432-436 (2020)
K. Kosiba, A. Rothkirch, J. H. Han, L. Deng, B. Escher, G. Wang, U. Kühn, J. Bednarcik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2020.06.004) - Viscous Flow of Supercooled Liquid in a Zr-Based Bulk Metallic Glass Synthesized by Additive Manufacturing, Materials 13, 3803 (2020)
K. Kosiba, L. Deng, S. Scudino
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ma13173803) - Plastic deformation of a Zr-based bulk metallic glass fabricated by selective laser melting, Journal of Materials Science & Technology 60, 139-146 (2021)
L. Deng, K. Kosiba, R. Limbach, L. Wondraczek, U. Kühn, S. Pauly
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.06.007) - Thermoplastic embossing device to probe rheological changes of supercooled metallic liquids during rapid heating, Review of Scientific Instruments 93, 033901 (2022)
K. Kosiba
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/5.0085044)
