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Investigation of phase equilibria and structural analysis in the systems Al-Cu, Cu-Si, Al-Cu-Si and Al-Mo-Si

Norbert Ponweiser

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Betreuer*in

Klaus Richter

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DOI

10.25365/thesis.16046

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29820.22367.818670-9

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Fundamentales Verständnis von Phasengleichgewichten und Strukturen in Legierungen ist für die Materialentwicklung von großer Bedeutung. Die detaillierte Erforschung von Legierungssystemen ist hier notwendig um Diskrepanzen in Literaturdaten zu beseitigen und Informationen über bislang unerforschte Gebiete zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit werden die Legierungssysteme Al-Cu, Cu-Si, Al-Cu-Si und Al-Mo-Si bezüglich ihrer Phasengleichgewichte und Strukturen untersucht. Die Systeme wurden mit Hilfe von optischer Mikroskopie (LOM), Elektronenstrahlmikroskopie (SEM) in Kombination mit EDS und Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA), Pulverröntgendiffraktometrie (XRD) bei niedriger und hoher Temperatur und Differentialthemoanalyse (DTA) untersucht. Das gegenwärtig akzeptierte Phasendiagramm von Al-Cu entspricht nicht dem aktuellen Wissensstand. In der vorliegenden Arbeit führten detaillierte experimentelle Untersuchungen zu einem verbesserten Phasendiagramm das neue Phasengleichgewichte zeigt. Die Existenz der Hochtemperaturphase β0 wurde nicht bestätigt und der Übergang zwischen der Hochtemperaturphase γ0 zur Tieftemperaturphase γ1 wurde als Übergang höherer Ordnung identifiziert. Weiters wurde die Struktur der Hochtemperaturphase η1-Al1-δCu (Cmmm, η1-Al1-δCu-Typ) mit Hochtemperatur-XRD in Kombination mit Simulated Annealing aufgeklärt. Vergleich der Strukturen der Hoch- und Tieftemperaturphasen η1 und η2 unter Berücksichtigung des Wärmeumsatzes bei der Umwandlung η2 = η1 bei der DTA-Messung zeigt, dass ein Übergang erster Ordnung erfolgt. Im System Cu-Si konnte nach umfangreichen Experimenten dargelegt werden, dass die Phase ε-Cu15Si4 eine Gleichgewichtsphase ist. Ihre Bildung kann jedoch aufgrund von Problemen bei der Keimbildung kinetisch gehemmt sein. Zusätzlich wurden die Phasengleichgewichte im Cu-reichen Teil des Phasendiagramms untersucht. Im Großen und Ganzen wurden die Phasengleichgewichte bestätigt. Bestimmte Zusammensetzungen und einige invariante Reaktionen wurden modifiziert, z.B. die Stabilitätsbereiche von β-(Cu,Si), δ-(Cu,Si) and η-(Cu,Si) und die Umwandlung γ = δ. Die Struktur der Hochtemperaturphase β-(Cu,Si) (cI2, W-Typ) wurde bestätigt; Unsicherheiten bleiben bzgl. der Struktur von δ-(Cu,Si). Weiters wurde das System Al-Cu-Si neu erforscht. Eine Isotherme bei 500 °C über den gesamten Zusammensetzungsbereich und eine Isotherme bei 700 °C im Cu-reichen Teil des Phasendiagramms wurden untersucht. Bei 700 °C wurde eine neue ternäre Verbindung τ gefunden, die sich zwischen 700 und 500 °C in ε-(Cu,Si), γ0,1-(Al,Cu) and κ-(Cu,Si) zersetzt. Obwohl zwei Isoplethen bei 40 at.% und 10 at.% Si untersucht wurden, bleiben die Festphasenumwandlungsreaktionen im Cu-reichen Teil des Phasendiagramms unklar. Jedoch war es möglich, ein partielles Reaktionsschema (Scheil Diagramm) der invarianten Reaktionen im Cu-armen Teil aufzustellen. Aufgrund der komplexen Phasengleichgewichte im Al-reichen Teil des Phasendiagramms Al-Mo-Si haben frühere Untersuchungen diesen kaum berücksichtigt. In der vorliegenden Arbeit wurden Isothermen im Mo-armen Bereich bei 600 °C und im Mo-reichen Teil bei 1400 °C untersucht. Bei 600 °C wurden die Phasengleichgewichte erstmals bestimmt. Die Phase Al12Mo zeigt mit 7.2 at.% die höchste Löslichkeit von Si. Die binäre Hochtemperaturphase Al4Mo wird durch Zugabe von Si bei 600 °C stabilisiert. Bei 1400 °C werden die Dreiphasenfelder aus früheren Untersuchungen bestätigt, jedoch unterscheiden sich die Löslichkeiten signifikant. Es war möglich, das ternäre Reaktionsschema mit 9 invarianten Reaktionen aufzustellen. Zusätzlich wurde die Liquidusprojektion bestimmt. Diese zeigt einige Unsicherheiten im Al-reichen Bereich und in der Nähe von AlMo, jedoch konnten die primären Kristallisationsfelder von (Al), (Si), Al12Mo, C11b, C40, C54, Al8Mo3, Mo5Si3 Mo3(Al,Si) and (Mo) bestimmt werden.

Abstract

(Englisch)

Fundamental understanding of phase equilibria and structures in alloy systems is crucial for proper materials design. Therefore, detailed research in alloy systems is necessary to clarify discrepancies in literature data and obtain information on so far unexplored fields. The current work provides a detailed investigation of the alloy systems Al-Cu, CuSi, Al-Cu-Si and Al-Mo-Si, both in phase equilibria and structural analysis. The systems were investigated using light optical microscopy (LOM), scanning electron microscopy (SEM) in combination with EDS and electron probe microanalysis (EPMA), powder X-Ray diffraction (XRD) at ambient and at elevated temperature and differential thermal analysis (DTA). The currently accepted phase diagram of Al-Cu does not represent the actual state of knowledge in the system. In the present work, detailed experimental analysis lead to an improved phase diagram exhibiting new phase equilibria. The existence of the high temperature phase β0 was not confirmed and the transition of the high temperature phase γ0 to the low temperature phase γ1 was found to be a higher order transition. Additionally, it was possible to determine the structure of the high temperature phase η1-Al1-δCu (Cmmm, Al1-δCu-type) using high temperature XRD in combination with Simulated Annealing. Comparing the structure of the high temperature phase η1 and the low temperature phase η2 and considering the high heat exchange during the transition η2 = η1 measured by DTA, the present study states, that this transition reaction is a first order reaction. In the system Cu-Si, the phase ε-Cu15Si4 in the binary was confirmed to be an equilibrium phase. An extensive number of experiments suggest though, that the formation of the phase could be inhibited kinetically due to nucleation difficulties. Additionally, the phase equilibria in the Cu-rich part of the phase diagram were investigated. Phase equilibria and stable phases were confirmed in the main. Selected compositions and a few invariant reactions have been modified, e.g. the stability ranges of β-(Cu,Si), δ-(Cu,Si) and η-(Cu,Si) and the nature of the γ = δ transition. The structure of the high-temperature phase β-(Cu,Si) (cI2, W-type) was confirmed by high-temperature powder XRD; some uncertainties concerning the structure of the high-temperature phase δ-(Cu,Si) are still remaining. The system Al-Cu-Si was re-evaluated. An isothermal section at 500 °C over the whole composition range as well as an isothermal section at 700 °C covering the Cu-rich part of the phase diagram was investigated. At 700 °C, a new ternary compound τ, which decomposes to ε-(Cu,Si), γ0,1-(Al,Cu) and κ-(Cu,Si) between 700 and 500 °C, was discovered. Although two isopleths at 40 at.% and 10 at.% Si were investigated, solid state reactions in the Cu-rich part of the phase diagram remain still unclear. However, a partial reaction scheme (Scheil Diagram) including invariant reactions in the Cu-poor part was established. Due to complicated phase equilibria in the Al-rich part of the phase diagram, previous investigations in the Al-Mo-Si system were not dealing with this area. In the present work, an isotherm at 600 °C in the Mo-poor part of the phase diagram and an isotherm at 1400 °C in the Mo-rich part were investigated. At 600 °C, the three phase fields in the Mo-poor region were determined for the first time. The phase Al12Mo shows the highest solubility of Si (7.2(1) at.%) and the binary high temperature phase Al4Mo is stabilized at 600 °C by addition of Si. At 1400 °C the three phase fields determined do confirm previous findings, although the solubility ranges differ significantly. It was possible to determine the ternary reaction scheme containing 9 invariant reactions. Additionally, the liquidus surface projection, showing some uncertainties in the Al-rich corner and near AlMo, was determined. It shows the primary crystallization fields of (Al), (Si), Al12Mo, C11b, C40, C54, Al8Mo3, Mo5Si3 Mo3(Al,Si) and (Mo).

Autor*innen

Norbert Ponweiser

Haupttitel (Englisch)

Investigation of phase equilibria and structural analysis in the systems Al-Cu, Cu-Si, Al-Cu-Si and Al-Mo-Si

Paralleltitel (Deutsch)

Untersuchung der Phasengleichgewichte und strukturelle Analyse der Systeme Al-Cu, Cu-Si, Al-Cu-Si und Al-Mo-Si

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

221 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Peter Franz Rogl ,

Jan Vřešťál

Klassifikation

35 Chemie > 35.90 Festkörperchemie

AC Nummer

AC08925206

Utheses ID

14395

Studienkennzahl

UA | 791 | 419 | |

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