Atomare Mechanismen der Ausscheidung von
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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 Institut für Gesteinshüttenkunde Lehrstuhl für Keramik und Feuerfeste Werkstoffe Ansprechpartner: Mauerstraße 5, 52064 Aachen Tel.: 0241-80-94968 Fax: 0241-80-92226 www.ghi.rwth-aachen.de Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Rainer Telle Tel.: 0241-80-94968 Fax: 0241-80-92226 E-Mail: [email protected]