Designing strong and ductile soft-magnetic multicomponent alloys

Han, Liuliu; Raabe, Dierk (Thesis advisor); Gutfleisch, Oliver (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Mehrkomponentenlegierungen (MCAs) mit einem nahezu unbegrenzten Zusammensetzungsraum, in denen die Hauptelemente den Betrag der Entropie und die Phasenkonstitution bestimmen, haben eine umfassende Erforschung der Thermodynamik, der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften, des Verformungsmechanismus und der funktionellen Eigenschaften angeregt im Hinblick auf potenzielle zukünftige Anwendungen. Ein großer Teil der Arbeit an MCAs konzentrierte sich bisher auf mechanisches Verhalten und Verformungsmechanismen. Hier sind MCAs den etablierten Materialien jedoch kaum überlegen, wenn Kostenfaktoren, Nachhaltigkeit, der Preis der Legierungselemente und die Machbarkeit der Schrottverwertung und des Recyclings berücksichtigt werden. Mehrere vielversprechende Ziele für die zukünftige Entwicklung von MCAs sollten sich darauf konzentrieren, das potenzielle funktionelle Verhalten zu untersuchen und mechanische und funktionelle Eigenschaften zu kombinieren. Magnetische MCAs sind hier zu einem der vielversprechendsten Themen geworden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die meisten MCAs in kubisch flächenzentrierten (fcc) und/oder kubisch raumzentrierten Kristallstrukturen übermäßig viele ferromagnetische Elemente (Fe, Co und Ni) enthalten und somit ferromagnetische Wechselwirkungen aufweisen. Doch dieses Ziel allein reicht nicht aus: Magnete in Elektromotoren müssen starken mechanischen Belastungen standhalten; das heißt, die Legierungen benötigen eine hohe Festigkeit und Duktilität. Dies ist eine grundlegende Designherausforderung, da die meisten Methoden zur Erhöhung der Festigkeit Spannungsfelder einführen, die magnetische Eigenschaften beeinträchtigen. Um die Fragen zu beantworten, wurden eine Reihe von MCAs mit den nominellen Zusammensetzungen Fe35-x/3Co30-x/3Ni30-x/3Ta5Alx (at.%) (x=3, 5, 7) hergestellt. Das Warmwalzen und die Homogenisierung wurden bei 1473 K durchgeführt. Eine weitere isotherme Wärmebehandlung wurde bei 1173 K zur Ausscheidungshärtung verwendet. Die Entwicklung der Mikrostruktur, die weichmagnetischen und mechanischen Eigenschaften der gegossenen, warmgewalzten und homogenisierten (bei 1473 K) Fe35Co30Ni30Ta5 (at.%) Mehrkomponentenlegierung zusammen mit den entsprechenden aluminiumlegierten Varianten Fe35-x/3Co30-x/3Ni30-x/3Ta5Alx (at.%) (x= 3, 5, 7) und Varianten unter anderen thermodynamischen Bedingungen wurden untersucht. Es wurden mehrere Methoden verwendet, darunter Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Elektronen-Rückstreubeugung (EBSD), Elektronenkanalkontrastbildgebung (ECCI) und Atomsondentomographie (APT), um die Mikrostruktur der Legierungen vom Mikrobereich bis hin zu atomarer Auflösung zu analysieren. Die mechanische und magnetischen Eigenschaften wurde mit einachsigen Zugversuchen und einem Messsystem für physikalische Eigenschaften (PPMS, Quantum Design) gemessen.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Materialphysik [523110]