Herstellung, strukturelle Charakterisierung und Untersuchung der mechanischen Eigenschaften ultrafeinkörniger und nanokristalliner geordneter Fe3Al-(X=Cr, Ti) Legierungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Georg Frommeyer (†); Professor Dr. Reiner Kirchheim, seit 4/2009
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 36627985

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In dem Gemeinschaftsprojekt „Herstellung, strukturelle Charakterisierung und Untersuchung der mechanischen Eigenschaften ultrafeinkörniger und nanokristalliner geordneter Fe3Al-X (X = Cr, Ti) Legierungen“ wurden folgende wesentliche Ergebnisse erzielt: 1.) Es wurde ein Präparationsverfahren für nanokristalline Pulver mit Partikelgrößen im Bereich 10-50 μm mittels Fokussiertem Ionenstrahl entwickelt, das für die tomographische Atomsonde geeignete Spitzen zu präparieren ermöglicht. 2.) Es wurden ternäre Legierungen Fe3Al-X (X = Cr, Mn, V, Ti) durch thermomechanische Warmumformung synthetisiert, prozessiert und mit hoher räumlicher und chemischer Auflösung untersucht. Die ursprünglich nicht im Antrag berücksichtigten Zusätze Mn und V hatten sich als ebenso vielversprechend wie Cr und Ti hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der Legierungen herausgestellt. 3.) Um die Legierungen der D03‐geordneten Kristallstruktur zu untersuchen, wurden erstmals systematisch APT‐Messungen orientiert in den drei kristallographischen Hauptrichtungen <100>, >110> und <111> durchgeführt, um anhand von Dichteprofilen die jeweiligen Ebenenabfolgen zu ermitteln und daraus Aussagen über die Ordnung zu treffen. Bei der Rekonstruktion der APT‐Messungen kommt es zu Effekten, die durch die unterschiedlichen Feldverdampfungsfeldstärken der beteiligten Elemente und daraus folgender ungleichmäßiger Evaporation hervorgerufen werden. Da diese Effekte nicht experimentell umgangen werden können, wurden Simulationen von APT‐Messungen durchgeführt, die sich ergebende Messartefakte berücksichtigen, und zusätzlich die Bindungspotentiale der Zusätze zu Fe bzw. Al ergeben. Durch die Vergleiche gemessener APT-Daten mit simulierten APT‐Messungen verschiedener Kristallordnungen konnten so die Platzbesetzung ternärer Elemente und ihre Ordnungsgrade ermittelt werden. 4.) Es konnte gezeigt werden, dass der Ordnungsgrad der D03‐geordneten Proben mit allen vier Zusätzen einen hohen Ordnungsgrad von über 90 % im Falle von Al, und von 75-90 % im Falle der ternären Zusätze aufweisen. Das legt den Schluss nahe, dass die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, die sich durch die unterschiedlichen ternären Zusätze ergeben, nicht auf Ordnungseffekte zurückzuführen sind, sondern auf unterschiedliche Bindungsstärken V, insbesondere zu Eisen. Für alle vier Zusätze konnte gezeigt werden, dass sie bevorzugt auf Fe-Plätze, und nicht auf Al-Plätze im geordneten Gitter sitzen. Es konnte ferner gezeigt werden, dass sich alle vier Zusätze bevorzugt auf Fe-β-Plätzen aufhalten. 5.) Es konnte gezeigt werden, dass in nanokristallinem Material eine deutliche Segregation der Zusätze stattfindet, die Korngrenzenchemie mithin gegenüber dem Korninnern modifiziert ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Untersuchung atomarer Strukturen an geordnetem und nanokristallinem ternären Fe3Al. Dissertation zur Erlangung des mathematischnaturwissenschaftlichen Doktorgrades, Georg-August-Göttingen (2011)
  Rademacher, Thomas
  
• ”Ordering and site occupancy of ternary elements in Fe3Al”. 51st International Field Emission Symposium Conference, June 28 - July 4, 2008. Rouen, France
  T. Kresse, T. Rademacher, T. Al-Kassab, R. Kirchheim, J. Deges, G. Frommeyer
  
• Ordering and site occupancy of ternary elements in Fe3Al. DPG-Frühjahrestagung, Dresden (22. - 27. März 2009)
  T. Rademacher, T. Al-Kassab, and R. Kirchheim
  
• Investigation of site occupancy of Ti in DO3- ordered Fe3Al. 52nd International Field Emission Symposium Conference, July 5-8, 2010. Sydney, Australia
  T. Kresse, T. Rademacher, T. Al-Kassab and R. Kirchheim
  
• Ordering and site occupancy of ternary elements in Fe3Al. DPG- Frühjahrestagung, Regensburg (21. - 26. März 2010)
  T. Rademacher, T. Kresse, J. Deges, T. Al-Kassab, G. Frommeyer, and R. Kirchheim
  
• Ordering and site occupancy of ternary solvents in Fe3Al. 52nd International Field Emission Symposium Conference, July 5-8, 2010. Sydney, Australia
  T. Rademacher, T. Kresse, T. Al-Kassab and R. Kirchheim
  
• Ordering and site occupancy of D0(3) ordered Fe3Al–5 at%Cr evaluated by means of atom probe tomography. Ultramicroscopy 111 (2011) 719-724
  Rademacher, Thomas; Al-Kassab, Talaat; Deges, Johannes; Kirchheim, Reiner