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Phase relations and crystal structure study in various Ti, Al and Si-based systems

Atta Ullah Khan

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Betreuer*in

Peter Rogl

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DOI

10.25365/thesis.17127

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29358.72374.320159-2

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Titanlegierungen haben ein breites Sortiment von Anwendungen. Sie werden nicht nur in der Turbinen- und Automobilindustrie verwendet sondern auch für Anwendungen in der Raumfahrt. Außerdem sind sie potentielle Kandidaten für Wasserstoffspeicherung. In vielen Fällen werden sie zusammen mit Aluminium verwendet. Beide Metalle, Titan und Aluminium, haben den Vorteil, dass sie leicht sind und daher wertvolle Bestandteile hochwarmfester Legierungen darstellen. Materialien, basierend auf Aluminium, werden in Industrie sowie für Geräte im Haushalt verwendet. Silicium ist ein sehr wichtiger Legierungspartner und Legierungen mit Silicium sind vielversprechende Materialien für Einsätze bei hohen Temperaturen weil sie einen hohen Schmelzpunkt in Kombination mit hoher Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Für die Auswahl und das Design von Materialien hoher Qualität ist die genaue Kenntnis von Phasengleichgewichten und Kristallstrukturen wichtig. Der Zweck dieser wissenschaftlichen Arbeit war daher, Information über Kristallstruktur und Phasenbeziehungen in den Systemen mit Ti, Al und Si bereit zu stellen aber auch Inkonsistenzen in der Literatur zu klären. Obwohl das Ti-Ni-Al-system in der Vergangenheit gründlich untersucht wurde, bestanden etliche Probleme, die in dieser Arbeit mit Hilfe von XRD, kombiniert mit Neutronenpulverstreuung aber auch mittels EPMA-analysen geklärt werden konnten. Weiters wurden zwei Vierphasenreaktionen vom Übergangstyp ermittelt. Die Kristallstruktur von den zwei Verbindungen in der Al-reichen Zone (τ5-TiNi2-xAl5, x = 0.48) und der Ti-reichen Zone [τ6-Ti2(Ti,Ni,Al)3] des Ti-Ni-Al-systems wurde mittels Röntgenpulverdiffraktion kombiniert mit Einkristalluntersuchungen und Neutronenpulverdiffraktion gelöst. Zusätzlich wurden spezielle Phasenverbindungen die der Ti-reichen Phase [τ6-Ti2(Ti,Ni,Al)3] artverwandt sind geklärt und in dieser Studie darüber berichtet. Die Kristallstrukturen von Phasen im Al-reichen Bereich der Systeme Mo-Cu-Al, Re-Ni-Al und Mo-Ni-Al wurden bestimmt. Im W-Ni-Al-system, wurde eine neue Phase dokumentiert [(WNi2-x-y yAl8+x-z z, (x = 0.162, y = 0.015, z = 0.010)]. ReNi2Al8-x (x = 0.033), [MoNi2-xAl8+x (x = 0.166)] und (WNi2-x-y yAl8+x-z z, (x = 0.162, y = 0.015, z = 0.010) haben die gleiche Struktur die sich als eine Überstruktur vom Mo(CuxAl1-x)6Al4(x=0.416)-typ ableitet. DieVickers Härte (Hv) von Re-Ni-Al, Mo-Ni-Al, W-Ni-Al und Ni2Al3 wurde ebenfalls in dieser Arbeit evaluiert. Da Palladium in derselben Gruppe wie Nickel vorkommt, erwartet man sich eine Ähnlichkeit bezüglich der Phasenbeziehungen und der Kristallstrukturen. Aus diesem Grund wurde ein Teil des isothermen Bereichs des Al-reichen Bereichs des Mo-Pd-Al-systems bei 860° C studiert. Zwei ternäre Phasen (genannt t1 und t2) wurden entdeckt und über die Kristallstruktur und Mikrohärte der τ1-MoPd2-xAl8+x Phase wurde in dieser Arbeit berichtet. τ1-MoPd2-xAl8+x ist eine Überstruktur des Mo(CuxAl1-x)6Al4 Typs. Inspiriert von diesen strukturellen Zusammenhängen, wurde auch der Al-reiche Teil des Zr-Cu-Al-systems erforscht. Eine Einkristalluntersuchung von τ7-Zr(Cu1-xAlx)12, x = 0.514 trug dazu bei, den Homogenitätsbereich dieser Phase zu verstehen, die wegen des Cu/Al-Austausches mit gleichbleibendem Zr-gehalt als „line-compound“ auftritt. Die Al-reiche Phase τ9-ZrCu1-xAl4, x = 0.144 kristallisiert in einem neuen Strukturtyp und ist eine Überstruktur des fcc-Cu Typs und besteht aus der Kombination von drei Blöcken der Kupfereinheitszelle. Das Hinzufügen von Bor kann in Siliciden des Nb und Ta die Festigkeit und den Widerstand gegen Oxidation erhöhen. Aus diesem Grund wurde eine Röntgenstrukturanalyse am Einkristall vorgenommen um heraus zu finden, welchen Gitterplatz die Bor-atome in den Ta3Si- und Ta5Si3-Phasen bevorzugen. Weiters wurde die Gitterplatzpräferenz für zwei Phasen [Ta5(SiB)3 und Ta5Si3B1-x] mit Hilfe von Neutronenpulverstreuung (NPD) studiert. Für die Ta5Si3B1-x Phase wurde der Ti5Ga4 Strukturtyp ermittelt. Das Ta-V-Si-system wurde vollständig untersucht und ein kompletter isothermer Schnitt bei 1500° C und ein Teilschnitt bei 1200° C konnten bestimmt werden. Zwei ternäre Verbindungen τ1 und τ2 wurden bei diesen beiden Temperaturen gefunden die dem Mn5Si3 Typ und MgZn2 Type entsprechen. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass Si eine ternäre MgCu2-type Lavesphase bei dieser Temperatur stabilisiert die vom binären Ta-V-system durch Konnoden getrennt ist. Das konstruierte Phasendiagramm stimmt gut mit dem nach der CALPHAD-Methode berechneten thermodynamischen Modell überein. Ein isothermer Teilschnitt wurde im Ta-V-Ge-system bei 1500° C erstellt. Zusätzlich zu den Phasen, die auch im Ta-V-Ge-system [Strukturtyp τ1-Mn5Si3, Strukturtyp τ2-MgZn2 und Strukturtyp MgCu2] auftreten, wurden zwei ternäre Phasen (Strukturtyp τ3-Nb9Co4Ge und eine unbekannte Struktur τ4) gefunden. Die Struktur der Lavesphase vom MgZn2-typ wurde mittels Rietveld Verfeinerung der Röntgenpulveraufnahme und unter Verwendung eines Durchstrahlelektronenmikroskops (TEM) bestätigt. V11Ge8 (Cr11Ge8-typ) zeigt bei 1500 °C eine große Löslichkeit bis zu (TaxV1-x)11Ge8, x = 0.639. Der Mn-reiche Teil des Ti-Mn-systems wurde unter Einsatz von Röntgenstruktur- DTA- und EDX-analysen an Hand von Proben die im Lichtbogen geschmolzen und dann geglüht wurden neu untersucht. Die Kristallstrukturen von Ti6(Ti1-xMnx)6Mn25, x = 0.462 (TiMn~3) und Ti8(TixMn1-x)6Mn39, x = 0.187 (TiMn~4) konnten mittels Röntgendiffraktion am Einkristall aufgeklärt werden. Eine einphasige Probe von Ti8(TixMn1-x)6Mn39, x = 0.187 (TiMn~4) wurde für die Messung verschiedener physikalischer Eigenschaften hergestellt.

Abstract

(Englisch)

Ti-based alloys have a wide range of applications. They are being used not only in turbine and automotive industry but also in aerospace applications. In additional to that, they are potential candidates for hydrogen storage materials. In many cases, they are used in combination with Al. Both Ti and Al have the advantage of lightweight and are valuable constituents of high strength alloys. Al based materials are widely used in industry as well as in home appliances. Si is a very important alloying partner and Si base alloys are promising materials for high temperature applications because of their high melting points and good resistance to oxidation. Detailed knowledge on phase equilibria and crystal structure is very important for the selection and design of high quality materials. The purpose of this research work was to provide the information on crystal structure and phase relations of Ti, Al and Si-based systems as well as to clarify the inconsistencies present in the literature. Although the Ti-Ni-Al system has been thoroughly studied in the past, several problems prevailed and have been clarified in this work using combined XRD and neutron powder diffraction as well as EPMA analyses. Two four-phase reactions of transition type have been defined. The crystal structure of the two compounds in the Al-rich region (τ5-TiNi2-xAl5, x = 0.48) and in the Ti-rich region [τ6-Ti2(Ti,Ni,Al)3] of the Ti-Ni-Al system has been solved from X–ray powder and single crystal combined with neutron powder diffraction. In addition to that, phase relations especially those related to the Ti-rich phase [τ6-Ti2(Ti,Ni,Al)3] are studied, clarified and reported in this study. The crystal structures of phases in the Al-rich corner in the systems Mo-Cu-Al, Re-Ni-Al and Mo-Ni-Al have been determined. In the W-Ni-Al system, the presence of a new phase is reported [(WNi2-x-y yAl8+x-z z, (x = 0.162, y = 0.015, z = 0.010)]. ReNi2Al8-x (x = 0.033), [MoNi2-xAl8+x (x = 0.166)] and (WNi2-x-y yAl8+x-z z, (x = 0.162, y = 0.015, z = 0.010) have the same structure which is a superstructure of the Mo(CuxAl1-x)6Al4 (x=0.416)-type. Vickers hardness (Hv) of Re-Ni-Al, Mo-Ni-Al, W-Ni-Al and Ni2Al3 has also been evaluated as part of this work. As Pd lies in the same group with Ni, one expects some similarity in phase relations as well as in crystal structure. So the partial isothermal section at 860 °C has been studied for the Al-rich part of the Mo-Pd-Al system. Two ternary phases (named t1 and t2) were found out of which, crystal structure and micro-hardness of the τ1-MoPd2-xAl8+x phase is measured. τ1-MoPd2-xAl8+x is a superstructure of the Mo(CuxAl1-x)6Al4 type. Inspired by these structural relations, the Al-rich part of the Zr-Cu-Al system was also studied. A single crystal study of τ7-Zr(Cu1-xAlx)12, x = 0.514 helped in understanding the homogeneity region of this phase, which appears as a line compound due to the Cu/Al exchange with constant Zr content. The Al-rich phase τ9-ZrCu1-xAl4, x = 0.144 crystallized in a novel structure type and is a superstructure of Cu appearing from the combination of three blocks of the Cu unit cell. Addition of boron can enhance the strength and oxidation resistance of Nb,Ta-based silicides. For this purpose, single crystal X-ray diffraction was used to find the atom site preference of B in Ta3Si and Ta5Si3 phases. Similarly, B site preference for two phases [Ta5(SiB)3 and Ta5Si3B1-x] was studied using Neutron Powder Diffraction (NPD). The Ta5Si3B1-x-phase was proven to adopt the Ti5Ga4 structure type. The Ta-V-Si system was thoroughly studied and a complete isothermal section at 1500 °C and a partial isothermal section at 1200 °C have been derived. Two ternary compounds τ1 and τ2 were found at these two temperatures with Mn5Si3 type and MgZn2 type, respectively. In addition to that, Si was found to stabilize a ternary MgCu2-type Laves phase at this temperature, which separates from the binary Ta-V system. Constructed phase diagram agrees well with the thermodynamic modelling based on CALPHAD approach. A partial isothermal section is reported in the Ta-V-Ge system at 1500 °C. In addition to the phases also seen in the Ta-V-Si system [τ1-Mn5Si3 structure type, τ2-MgZn2 structure type and MgCu2 structure type], two additional ternary phases (τ3-Nb9Co4Ge type structure and τ4-unknown structure) were found. MgZn2-type Laves phase was confirmed by Rietveld Refinement of X-ray Powder Diffraction and transmission electron microscopy (TEM). V11Ge8 (Cr11Ge8 type) shows a large solubility up to (TaxV1-x)11Ge8, x = 0.639 at 1500 °C. The Mn-rich part of the Ti-Mn system was reinvestigated by X-ray, DTA and EDX analyses on arc melted and annealed alloys. The crystal structure of Ti6(Ti1-xMnx)6Mn25, x = 0.462 (TiMn~3) and Ti8(TixMn1-x)6Mn39, x = 0.187 (TiMn~4) was solved from X-ray single crystal diffraction data. Single phase sample of Ti8(TixMn1-x)6Mn39, x = 0.187 (TiMn~4) was prepared for the measurement of different physical properties.

Autor*innen

Atta Ullah Khan

Haupttitel (Englisch)

Phase relations and crystal structure study in various Ti, Al and Si-based systems

Paralleltitel (Deutsch)

Studien über Phasenbeziehungen und Kristallstrukturen in verschiedenen Systemen, basierend auf Ti, Al und Si

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

185 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Herbert Ipser ,

Henri Noel

Klassifikation

35 Chemie > 35.10 Physikalische Chemie: Allgemeines

AC Nummer

AC08924007

Utheses ID

15350

Studienkennzahl

UA | 091 | 419 | |

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