Atomare Mechanismen der Ausscheidung von

Institut für Gesteinshüttenkunde
Lehrstuhl für Keramik und Feuerfeste Werkstoffe
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. R. Telle
Nichtoxidkeramik
Atomare Mechanismen der Ausscheidung von
Übergangsmetallboriden aus übersättigten Mischkristallen zur
In-Situ-Verstärkung keramischer Hartstoffe
Ein Projekt der VW-Stiftung im Rahmen des Schwerpunktprogramms Mikrocharakterisierung von Werkstoffen und Bauelementen
Hartstoffe auf der Basis von Übergangsmetallboriden zeichnen sich durch hohe Härten, hohe Schmelzpunkte, hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und gute Beständigkeit gegenüber Nichteisenmetallen aus. Ihre Sprödigkeit und schlechte Sinterbarkeit steht einem breiten Anwendungsfeld entgegen. Die
Synthese von mehrphasigen Boridwerkstoffen im System TiB2-WB2-CrB2 führt zu Gefügen mit plattenförmigen boridischen Sekundärphasen. Dies bietet die Möglichkeit einer in-situ-Verstärkung dieser
Werkstoffe.
T (°C)
2200
2000
1800
1600
1400
1200
-16
1000
B in TiB2
Ti, W, Cr in TiB2
W in W2B5(EK)
Ti in W2B5(EK)
Ti in (Ti0,3Cr0,2W0,5)B2
Cr in (Ti0,3Cr0,2W0,5)B2
10
-17
10
-18
10
2
D (m /s)
Das Projekt beschäftigte sich mit der Gefügevariation dieser Werkstoffe, der Charakterisierung
des Gefüges mit hochauflösenden elektronenmikroskopischen Methoden und der Untersuchung der ablaufenden Festkörperreaktionen mit
grundlegenden kinetischen Experimenten zur
Ermittlung von Diffusionskoeffizienten und Aktivierungsenergien.
-19
10
-20
10
-21
10
-22
10
Die bei hohen Temperaturen von bis zu 2100°C
gesinterten Proben weisen eine vollkommene
Mischbarkeit der Ausgangsdiboride auf. Die mit
abnehmender Temperatur stark abnehmende
Löslichkeit von Titandiborid für Wolframdiborid
führt beim Tempern bei Temperaturen von einigen hundert Grad unterhalb der Sintertemperatur
zur Ausscheidung von plattenförmigen W2B5Körnern aus einer homogenen übersättigten
Mischkristallmatrix.
Die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie zeigt Gefügedetails wie Misfitspannungen, Stapelfehler und Ausscheidungen im
atomaren Maßstab, die die strukturelle Vielfalt
boridischer Phasen widerspiegeln (1).
5,0
6,0
4
7,0
8,0
-1
10 /T (K )
Diffusionskoeffizienten
in
TiB2,
W 2B5
und
Ti0.3W 0.5Cr0.2B2 in Abhängigkeit von der reziproken
Temperatur. Die Pfeile deuten obere Grenzen an.
Tracerdiffusionsexperimente, die mit SIMS ausgewertet wurden, ergeben eine gegenüber den
Übergangsmetallen
um
Größenordnungen
schnellere Bor-Diffusion (2, 3). Durch Mischkristallbildung wird die Übergangsmetalldiffusion erheblich beschleunigt, daher erklärt sich die
beschleunigte Ausscheidung von W2B5 durch
Einbau von Chrom.
Versetzungsanhäufung durch Abbau von
Misfitspannungen in der Grenzfläche Diboridmischkristall (links) / Titandiborid (rechts)
W2B5-Ausscheidungen in der (Ti,W,Cr)B2Matrix
Stapelfehler mit W 2B5-Struktur in (Ti,W,Cr)B2Mischkristall
Übergang von gewellten Borlagen der W 2B5Struktur (rechts) in ebene Borlagen (AlB2Struktur links) in W 2B5
HRTEM-Abbildung einer ß-WB-Ausscheidung
in der (Ti,W,Cr)B2-Matrix
Gefüge einer bei 2000°C gesinterten und bei
1600°C ausscheidungsgeglühten Probe der
nominellen
Zusammensetzung
(Ti0.4W 0.3Cr0.3)B2
(1) C. Schmalzried, R. Telle, B. Freitag, W. Mader; Solid State Reactions in Transition Metal Diboride-Based Materials; Z. Metallkd. 92 [11] (2001); 1197-1202
(2) H. Schmidt, G. Borchardt, C. Schmalzried, R. Telle, S. Weber, H. Scherrer; Self-diffusion of boron TiB2; J.Appl. Phys. Vol. 93 No. 2 (2003), 907-911
(3) H. Schmidt, G. Borchardt, C. Schmalzried, R. Telle, H. Baumann, S. Weber, H. Sxcherrer,; Material transport in (Ti 0.3W0.5Cr0.2)B2 ceramics: simultaneous
diffusion of ion implanted 49Ti and 54Cr; J. Eur. Cer. Soc. 23 (2003), 991-995
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