Kinetics of crystallization in amorphous alloys : nucleation and growth

Abstract

Amorphous alloys may be very appropriate to study both nucleation and growth processes. Metallic glasses can be crystallized at moderate temperatures within reasonable times, thereby making possible detailed kinetic analysis of the crystallization process. For the observation of the crystallization behavior, amorphous Mg-based and Al-based alloys were produced by the so called melt-spinning technique. The investigation of the kinetics of crystallization of amorphous Mg80Cu10Y10 and Al85Ni8Y5Co2 alloys has been carried out using different supplementary techniques. By the use of differential scanning calorimetry (DSC) the transformation has been observed for constant heating (isochronal) or at constant temperature (isothermal). The phase identification after defined annealing has been performed applying X-ray diffraction (XRD). Transmission electron microscopy (TEM) in combination with electron-energy loss spectroscopy (EELS) and high resolution transmission electron microscopy enabled the characterization of the microstructure and the quantitative determination of particle diameter and particle density after different annealing. The combination of these techniques is necessary for the complete description of the processes occurring during the solid state transformation and as a basis for the model description. The crystallization of amorphous Mg80Cu10Y10 takes place in three steps. A detailed kinetic analysis has been carried out for the first crystallization step at 430 °C where Mg, M24Y5 and two unidentified phases with particle sizes around 70 nm precipitate. A modular analytical phase transformation model has been applied to isothermal DSC-scans to extract the involved nucleation and growth mechanisms. This new model opens the possibility to deal with mixtures of nucleation modes and additionally the activation energies for nucleation and growth can be determined directly and separately. The kinetic analysis demonstrated that Avrami nucleation and volume diffusion controlled growth give a consistent description of the experimental data at constant temperature. The crystallization of amorphous Al85Ni8Y5Co2 takes also place in three steps. The first crystallization step has been observed in detail and can be divided into two stages: During the first stage spherical Al nanoparticles (single crystals) form with particle diameters ranging between 5 and 30 nm and particle densities up to 1022 m-3. In the second stage branches grow irregular from the spherical core. The particle in this stage of growth reach sizes around 50 nm. In the spherically growth stage a modular transformation model has been applied to particle density distributions determined from annealing at different times and temperatures. It was shown that transient nucleation at favoured nucleation sites in combination with a mixed growth model (the growth starts interface controlled and changes to volume diffusion controlled growth) gives a consistent description of the experimental data.

Der amorphe Zustand eignet sich hervorragend um Keimbildungs- und Wachstumsprozesse während der Kristallisation zu untersuchen, da hierzu für metallische Gläser eine kontrollierte Wärmebehandlung bei relativ niedrigen Temperaturen möglich ist und dadurch eine detaillierte kinetische Untersuchung der Kristallisation erfolgen kann. Zur Aufklärung des Kristallisationsverhaltens wurden amorphe Mg- und Al-Basislegierungen mit dem Schmelzspinnverfahren hergestellt. Die Untersuchungen der Umwandlungskinetik amorpher Mg80Cu10Y10 und Al85Ni8Y5Co2 Legierungen erfolgt mit verschiedenen sich ergänzenden Techniken. Mit der so genannten „Differential Scanning Calorimetry“ (DSC) erfolgten die Untersuchung der Umwandlungen bei konstanter Heizrate (isochron) oder konstanter Temperatur (isotherm). Die Phasen-Identifizierung nach verschiedenen Wärmebehandlungen wurde mit einem Röntgendiffraktometer (XRD) durchgeführt. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in Kombination mit Elektronen-Energie-Verlust Spektroskopie (EELS) und hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie ermöglichen die Charakterisierung der Mikrostruktur und die quantitative Bestimmung von Teilchendurchmesser und Teilchendichte nach verschiedenen Auslagerungen. Die Kristallisation von amorphem Mg80Cu10Y10 erfolgt in drei Schritten. Eine detaillierte kinetische Untersuchung wurde für den ersten Kristallisationsschritt bei ca. 430 K durchgeführt, wobei hier Mg, Mg24Y5 und zwei unidentifizierte Phasen mit Teilchendurchmessern von ca. 70 nm ausscheiden. Ein modulares analytisches Modell zur Beschreibung von Phasenumwandlungen wurde zur Anpassung von isothermen DSC-Scans verwendent um die beteiligeten Keim- und Wachstumsmechanism zu bestimmen. Mit dem neuen Modell können Mischungen Keimbildungdungsmechanismen berücksichtigt und die Aktivierungsenergien für Keimbildung und Wachstum direkt und seperat bestimmt werden. Die kinetischen Analysen haben gezeigt, dass Avrami Keimbildung in Kombination mit Volumendiffusion kontrolliertem Wachstum die experimentellen Ergebnisse bei unterschiedlichen Temperaturen konsistent beschreiben. Die Kristallisation von amorphen Al85Ni8Y5Co2 findet ebenfalls in drei Schritten statt. Der erste Kristallisationsschritt wurde detailliert untersucht und kann in zwei Stadien unterteilt werden: Während des ersten Stadiums bilden sich kugelförmige Al Nanokristalle (Einkristalle) mit Teilchendurchmesser zwischen 5 und 30 nm und Teilchendichten bis 1022 m-3. Im zweiten Stadium wachsen regellos vom kugelförmigen Kern Ausbuchtungen. Die Teilchen erreichen in diesem Stadium Teilchengrößen bis zu 50 nm. Im Bereich des kugelförmigen Wachstums wurde ein modulares Umwandlungsmodell an gemessene Teilchendichteverteilungen, für Wärmebehandlungen bei unterschiedlichen Zeiten und Temperaturen, angepasst. Es zeigt sich, dass transiente Keimbildung an bevorzugten Keimbildungstellen in Kombination mit einem zweistufigen Wachstumsmodell (Grenzflächen kontrolliertes Wachstum geht über in Volumendiffusion kontrolliertes Wachstum) eine konsistente Beschreibung der experimentellen Daten ermöglicht.