Impact of sulfur on the structure and dynamics of glass forming metallic melts

Wilden, Johanna Stephany; Kargl, Florian (Thesis advisor); Roth, Georg (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Erst kürzlich wurde Schwefel als Legierungselement zur Herstellung von massiv-metallischen Gläsern berücksichtigt. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Schwefel sowohl die Glasbildungsfähigkeit als auch den Glasbildungsbereich in unterschiedlichen Legierungen erweitert. In Titan-basierten Legierungen ohne Beryllium ermöglicht die Zugabe von Schwefel die Glasbildung zum ersten Mal. Diese Titan-basierten massiv-metallischen Gläser sind besonders interessant für biomedizinische Anwendungen. Diese Arbeit zielt darauf hin zu verstehen, warum Schwefel die Glasbildungsfähigkeit sowohl in diesen Titan-basierten Legierungen, als auch in Palladium-basierten Legierungen verbessert. Daher wurden die Schmelzeigenschaften in ternären Ti-Ni-S und Pd-Ni-S Schmelzen untersucht. Um diese hochreaktiven Titan-basierten Schmelzen zu prozessieren, wurden Levitationsmethoden eingesetzt, wie elektromagnetische Levitation und elektrostatische Levitation. So wurde der Zusammenhang zwischen der Struktur und der Dynamik in Ti-Ni-S und Pd-Ni-S Schmelzen untersucht. Die Levitationsmethoden wurden anhand von inkohärenter, quasielastischer Neutronenstreuung ergänzt, um die atomare Bewegung in den Schmelzen zu untersuchen. Zudem wurden die Levitationsmethoden anhand von Synchrotron Röntgendiffraktion und Neutronendiffraktion ergänzt, um die atomare Struktur und das Erstarrungsverhalten in den Schmelzen zu untersuchen. Innerhalb des Ti-Ni-S Systems, verfügt die optimale Zusammensetzung mit der besten Glasbildungsfähigkeit über 8 at. % Schwefel. Hierbei wurde festgestellt, dass die Schmelzpackung und die Schmelzdynamik bei der Substitution von Nickel durch Schwefel abnimmt. Somit besteht kein direkter Zusammenhang zwischen der Schmelzpackung und der Schmelzdynamik. Die Abnahme der Packungsdichte deutet auf chemische Wechselwirkungen hin, welche möglicherweise die Glasbildung in Ti-Ni-S Schmelzen begünstigt. Die Schmelzstruktur in binären Ti-Ni Schmelzen zeigt sowohl eine Präferenz heterogene Atompaare zu bilden, als auch eine mittlere Koordinationszahl von ⟨Z⟩ > 12, welche eine komplexere Nahordung als eine ikosaedrische Nahordnung impliziert. Somit setzt sich die Nahordnung in binären Ti-Ni Schmelzen aus topologischen und chemischen Anteilen zusammen. Im Gegensatz zu binären Ti-Ni Schmelzen, weisen ternäre Ti-Ni-S Schmelzen eine Schwefel-reiche Primärphase während der Erstarrung auf, welche die Liquidustemperatur erhöht. Diese Schwefel-reiche Phase wandelt sich durch die Substitution von Nickel durch Schwefel von Ti3S in Ti2S um. Die Mikrostruktur in den abgeschreckten Ti-Ni-S Legierungen zeigt, dass die Ti3S Phase von metastabilen, quasikristallinen Phasen umgeben wird, während die Ti2S von stabilen, kristallinen Phasen umgeben wird. Somit fördert Ti3S die Glasbildung in den abgeschreckten Ti-Ni-S Legierungen, während Ti2S deren Kristallisation fördert. Innerhalb des Pd-Ni-S Systems, verfügt die optimale Zusammensetzung mit der besten Glasbildungsfähigkeit über 26 at. % Schwefel. Hierbei wurde festgestellt, dass die sich Schmelzdynamik kaum mit der Zusammensetzung verändert. Im Vergleich zu Pd-Ni-P Schmelzen, nimmt die Schmelzdynamik durch die Substitution von Phosphor durch Schwefel zu, während die Packungsdichte abnimmt. Somit besteht ein Zusammenhang zwischen der Schmelzpackung und der Schmelzdynamik, wie auch bei Pd-Ni-(Cu)-P. Jedoch, im Gegensatz zu Pd-Ni-(Cu)-P Schmelzen, wurde eine dynamische Entkopplung bereits oberhalb der Liquidustemperatur beobachtet. Vermutlich diffundieren die kleinen Nickel und Schwefel Atome durch eine unbewegliche Palladium-Matrix. Im Allgemeinen, deuten diese Beobachtungen auf unterschiedliche Mechanismen hin, die für die Glasbildung in Ti-Ni-S und Pd-Ni-S verantwortlich sind.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Grundlagen der Erstarrung (DLR) [523620]