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Main Title: Processing and Consolidation of Amorphous and Nanocrystalline Aluminum-Nickel-Lanthanum Alloys
Translated Title: Herstellung und Kompaktierung von amorphen und nanokristallinen Aluminium-Nickel-Lanthan Legierungen
Author(s): Vierke, Jens
Advisor(s): Banhart, John
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wurden zwei aluminium-reiche Legierungen metallischer Gläser der chemischen Zusammensetzungen Al87Ni8La5 und Al85Ni10La5 untersucht. Diese Legierungen haben eine zwei- bis dreifach höhere Festigkeit als konventionelle polykristalline Al-Legierungen. Sie sind Kandidaten für Leichtbauwerkstoffe in tragenden Anwendungen. Das Ziel dieser Untersuchung war die Herstellung von einem Massivglas aus Aluminium durch Verdüsung einer Schmelze zu Pulvern und deren anschließender Kompaktierung durch verschiedene Methoden. Dabei wurde der Einfluss von plastischer Deformation und Prozesstemperatur auf die Stabilität der amorphen Phase näher untersucht. Schmelzen aus Al87Ni8La5 und Al85Ni10La5 wurden mit Hilfe von Argon- und Heliumgas zu Pulvern verdüst. Heliumverdüste amorphe Pulver wurden durch Torsion bei hohen Drücken (high pressure torsion, HPT) und Raumtemperatur, Heißpressen um einen Winkel (equal channel angular pressing, ECAP) und uniaxialem Heißpressen bei verschieden Temperaturen kompaktiert. Die Proben wurden mit verschiedenen Methoden untersucht, zum Beispiel: Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, in-situ und ex-situ winkeldispersive Röntgendiffraktometrie, ex-situ energiedispersive Röntgendiffraktometrie, differentieller Calorimetrie und induktiv-gekoppelter Plasma-Massenspektroskopie. ECAP und HPT führen zu einer partiellen Pulverkompakierung, innerhalb der hier durchgeführten Versuchsbedingungen. Vollständig kompaktierte Proben wurden durch uni-axiales Heißpressen erzielt. Die Probendichte und Vickers Mikrohärte kompaktierter Proben steigen mit zunehmender plastischer Scherdeformation und Prozesstemperatur. Die Zunahme der Mikrohärte ist hauptsächlich eine Folge der partiellen Kristallisation der amorphen Phase. Während kontinuierlichem Aufheizen zeigt das amorphe Pulver einen Glassübergang und eine anschließende Kristallisation von kfz-Al und intermetallischen Phasen in einem kleinem Temperaturintervall. Bei isothermen Heizen unterhalb der Kristallisationstemperatur findet eine primäre Kristallisation von kfz-Al statt. Der Glassübergang wird nach Pulverkompaktierung nicht mehr detektiert. Kompaktierte Proben zeigen ausschließlich kfz-Al Kristalle in einer verbleibenden amorphen Matrix. Der Volumenanteil der Al-Kristalle steigt mit plastischer Deformation und Prozesstemperatur. Diese Ergebnisse weisen auf eine deformationsinduzierte Kristallisation von kfz-Al hin, welche wahrscheinlich athermisch ist. Außer der Pulverkompaktierung wurden simultan in-situ Röntgendiffraktion und –absorptionsexperimente an amorphen Al85Ni10La5 Folien durchgeführt. Die aus diesen Messungen gewonnene Massendichte von amorphen Al85Ni10La5 steigt um 1,4-1,7% bei Umwandlung der amorphen in die kristalline Phase.
This study investigates two Al-rich metallic glass alloys: Al87Ni8La5 and Al85Ni10La5 (at-%). These alloys have a strength that is two to three times higher than conventional polycrystalline Al-alloys. They are candidate light-weight materials for structural applications. The aim of this study was to produce bulk amorphous Al-alloys by gas-atomization and subsequent powder consolidation. Different consolidation techniques were applied in order to investigate how plastic deformation and processing temperature influence the stability of the amorphous phase. Al87Ni8La5 and Al85Ni10La5 powders were processed by gas-atomization using argon and helium gas. Helium-atomized amorphous Al85Ni10La5 powders were consolidated by means of high pressure torsion (HPT) at room temperature applying different levels of torsion, equal channel angular pressing (ECAP) at different temperatures, and hot pressing at different temperatures. The samples were investigated by different methods, for example: scanning and transmission electron microscopy, in-situ and ex-situ angle-dispersive X-ray diffractometry (XRD), ex-situ energy-dispersive XRD, differential scanning calorimetry, and inductively coupled plasma mass spectroscopy. Within the methods used in this study, ECAP and HPT yield partially consolidated samples, whereas hot pressing can produce fully consolidated samples. Sample density and Vickers microhardness of consolidated powders increase with plastic shear deformation and with processing temperature. The hardness increases mainly due to partially crystallization of the amorphous phase. Upon continuous heating, as-atomized powders show a glass transition and a subsequent crystallization of fcc-Al and intermetallic phases within a narrow temperature range. A primary crystallization of fcc-Al occurs during isothermal heating below the crystallization temperature. After consolidation, no glass transition occurs upon continuous heating. Consolidated samples show fcc-Al crystals within the residual amorphous matrix. The volume fraction of fcc-Al crystals increases with plastic shear deformation and with processing temperature. The results indicate that primary precipitation of fcc-Al is strain-induced and possibly athermal. Additionally, simultaneous in-situ X-ray attenuation and in-situ X-ray diffraction experiments were performed upon amorphous Al85Ni10La5 splats. These experiments show that the mass density of amorphous Al85Ni10La5 increases 1.4-1.7% during phase transformation from the amorphous to the crystalline state.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-18240
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2122
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1825
Exam Date: 14-Dec-2007
Issue Date: 11-Apr-2008
Date Available: 11-Apr-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aluminium
Amorph
Kompaktierung
Metallische Gläser
Pulver
Aluminum
Amorphous
Consolidation
Metallic glasses
Powder
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