Phasenseparierte metallische Gläser
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurden erfolgreich neue phasenseparierte metallische Gläser in den Legierungssystemen Cu-Zr-Gd, Co-Zr-Al-Gd, Gd-Co-Al-Hf, Gd-Co-Al-Ti hergestellt, die Struktur der mittels Rascherstarrung aus der Schmelze hergestellten Bänder analysiert und ihre magnetische Eigenschaften studiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das gewählte Konzept zur Herstellung von phasenseparierten metallischen Gläsern generell anwendbar ist. Dieses beruht auf der Modifizierung von Glas bildenden Legierungen durch weitere Elementzusätze bzw. Elementkombinationen, die positive Mischungsenthalpie zu einer der Hauptkomponenten aufweisen. Aus den Untersuchungen kann geschlussfolgert werden, dass für die Herstellbarkeit phasenseparierter metallischer Gläser die folgenden Voraussetzungen erfüllt sein müssen: 1. die Legierungszusammensetzung muss so gewählt sein, dass eine flüssig-flüssig Phasenseparation in der Schmelze oder in der unterkühlten Schmelze erfolgt, und 2. die separierten Schmelzen müssen eine ausreichende Glasbildungsfähigkeit besitzen, so dass mittels Rascherstarrung die phasenseparierten Schmelzen in ein phasensepariertes metallisches Glas „eingefroren“ werden können. Die thermodynamischen Eigenschaften der Schmelze und deren Konzentrationsabhängigkeit beeinflussen somit ganz wesentlich die Strukturbildung und die erhaltenen Mikrostrukturen (neben den Herstellungsbedingungen, wie Abkühlrate und Abschrecktemperatur). Die Kenntnis der entsprechenden Phasendiagramme und deren thermodynamischen Beschreibungen sind für das Verständnis der Strukturbildung von phasenseparierten metallischen Gläsern wesentlich. Der momentane Kenntnisstand ist für eine Reihe von binären und ternären Systemen bzgl. der Phasengleichgewichte mit der Schmelze unbefriedigend. Im Rahmen des Projektes wurden deshalb experimentell Gd-Zr, Gd-Ti und Co-Gd-Ti Phasendiagramme bestimmt und für die Interpretation der Strukturbildung verwendet. Es konnte im Projekt gezeigt werden, dass insbesondere die Temperaturabhängigkeit der flüssig-flüssig Entmischung (binodale Fläche) ein wesentlicher Parameter ist, der thermodynamisch durch die chemische Zusammensetzung der Schmelze bestimmt ist. Erfolgt die Entmischung in der Gleichgewichtsschmelze bei hohen Temperaturen, so finden während der Rascherstarrung Wachstum, Koaleszenz und sekundäre Entmischungen in beiden Schmelzen statt, so dass die gebildeten Mikrostrukturen Heterogenitäten von 100 nm bis 10 μm aufweisen. Erfolgt die Entmischung jedoch in der metastabilen, tief unterkühlten Schmelze, so können frühe Stadien der Entmischung eingefroren werden. Für die Systeme Ni-Nb-Y, Cu-Zr-Gd und Co-Zr-Al-Gd konnte ein spinodaler Mechanismus der Phasenseparation nachgewiesen werden. Insbesondere die Kombination von in situ Röntgenkleinwinkelstreuung mit Diffraktion und der Einsatz von moderner analytischer Atomsonde ermöglichen die strukturelle Entwicklung eingefrorener Zustände auf der Nanometer-Skala detailliert zu untersuchen. Im Rahmen des Projekte konnte gezeigt werden, dass durch spinodale Entmischung heterogene metallische Gläser mit Gd-reichen Clustern von 2 – 15 nm Durchmesser hergestellt werden können, die magnetische Ordnung bei tiefen Temperaturen ( ca. 100 K) zeigen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Phase separation and microstructure evolution of rapidly quenched GdHfCoAl alloys”, Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) 42-45
J.H. Han, N. Mattern, D.H. Kim, J. Eckert
- “Experimental and thermodynamic assessment of the Gd-Zr system”,CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry 39 (2012) 27-32
N. Mattern, J.H. Han, M. Zinkevich, O. Shuleshova, I. Kaban, D. Holland-Moritz, J. Gegner, F. Yang, J. Bednarcik, W. Loeser, J. Eckert
- “Microstructure and magnetic properties of Gd-Hf-Co-Al phase separated metallic glasses”, Intermetallics 20 (2012) 115-122
J.H. Han, N. Mattern, B. Schwarz, S. Gorantla, T. Gemming, J. Eckert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.intermet.2011.09.002) - “Structural and magnetic nanoclusters in Cu50Zr50xGdx (x = 5 at%) metallic glasses”, Acta Materialia 60 (2012) 1946-1956
N. Mattern, A. Shariq, B. Schwarz, U. Vainio, J. Eckert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.01.019) - “Experimental and thermodynamic assessment of the Gd-Ti system”, CALPHAD: Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry
N. Mattern, J.H. Han, O. Fabrichnaya, M. Zinkevich, W. Löser, J. Werner, R. Nowak, I. Kaban, O. Shuleshova, D. Holland-Moritz, J. Bednarĉik, N. Sobczak, J. Eckert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.calphad.2013.06.007) - ”Phase separation in ternary Co–Gd–Ti Liquids”, J. Phys.: Condens. Matter 25 (2013) 245104 (7pp)
J.H. Han, N. Mattern, I. Kaban, D. Holland-Moritz, J. Bednarcik, R. Nowak, N. Sobczak, D.H. Kim, J. Eckert
