Mechanismen der Ordnungseinstellung in nanokristallinen intermetallischen Verbindungen

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist es, ein atomistisches Verständnis der Ordnungseigenschaften nanokristalliner intermetallischer Verbindungen, besonders unter Berücksichtigung der Leerstellenwanderung, zu entwickeln. Die nanokristallinen intermetallischen Übergangsmetallaluminide FeAl und NiAl werden von der Herstellung im ungeordneten, nanokristallinen Zustand bis zum geordneten, grobkristallinen Zustand, der durch Anlassen bei Temperaturen oberhalb von 800K erreicht wird, untersucht. Elektronenmikroskopie und chemische Analyse dienen zur Charakterisierung der Proben. Mittels Röntgenbeugung und magnetischer Suszeptibilität wird die Entordnung während der Herstellung und die Ordnungseinstellung während des Anlassens verfolgt. Von theoretischer Seite her wird ein einfaches atomistisches Modell zur Ordnungseinstellung entwickelt und die Analysemethoden für die Röntgenbeugungsspektren werden knapp zusammengetragen und bewertet. Spezifisch für den nanokristallinen Zustand ist die gute Entordnung, die erst bei der plastischen Verformung von Nanometer-großen Kristalliten erfolgt. Zudem wird in den vorliegenden Nanostrukturen eine Erweiterung des Existenzbereiches der B2-Phase gefunden. Die Ordnungseinstellung in 20-40nm großen Kristalliten erfolgt für die nanokristallinen intermetallischen Verbindungen FeAl und NiAl über die Bewegung von Leerstellen, die bei der Herstellung erzeugt werden. Die von der grobkristallinen Verbindung NiAl im Vergleich zu FeAl her bekannte höhere Ordnungsenergie und Wanderungsenthalpie der Leerstellen bewirkt auch in der nanokristallinen Form eine geringere Entordnung während der Herstellung und eine langsamere Ordnungseinstellung beim Anlassen. Bei der Ordnungseinstellung in FeAl ist die Absenkung der Leerstellenwanderungsenthalpie von 1,7eV im geordneten Zustand auf 1,1eV im ungeordnetem Zustand durch Entordnung entscheidend, so daß sich dieses Material schon bei 350-550K ordnet.

The objective of this work is to study the interplay between nanocrystalline structure, chemical ordering, and point defects in nanocrystalline intermetallic aluminides. The intermetallic aluminides FeAl and NiAl are prepared as disordered nanocrystalline alloys by cluster condensation and subsequent compaction of the powder or by ball milling. The specimens obtained are characterized regarding to composition and crystallite size by chemical analysis and transmission electron microscopy. X-ray diffraction and magnetic susceptibility are used to investigate the ordering process during annealing. The theory required for X-ray diffraction is concisely explained and evaluated. A basic atomistic model can explain the ordering kinetics within the 20-40nm sized crystallites via jumps of vacancies introduced during preparation of the nanocrystalline specimens. Thereby the most important kinetic factor is the vacancy migration enthalpy. Nanocrystalline NiAl orders at higher temperatures (600K) than nanocrystalline FeAl (350-550K). This behaviour is reasonable because coarse grained NiAl exhibits a higher vacancy migration enthalpy than FeAl. The onset of ordering in nanocrystalline FeAl at fairly low temperatures can be explained by a further decrease of the vacancy migration enthalpy from 1.7eV in the fully ordered state to 1.1eV in the completely disordered state. Specific to nanometer-sized FeAl is the easy disordering by plastic deformation during preparation. Furthermore, the homogeneity region of the B2 phase of FeAl and NiAl can be extended to higher Al contents. Therefore, nanocrystalline intermetallic aluminides offer the prospect to investigate point defect properties (e.g. vacancies) through a much wider range of order parameter and composition than coarse grained materials do.