Investigation of the phase boundary and site occupation of atoms in pure and doped TiAl/Ti3Al intermetallic by means of the tomographic atom probe (TAP)

• Applicant: Professor Dr. Reiner Kirchheim, since 4/2010
• Subject Area: Glass, Ceramics and Derived Composites
• Term: from 2002 to 2009
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5397246

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Die Entwicklung einer Methode zur Platzbestimmung von ternären Elementen in intermetallischen Phasen anhand von Atomsondendaten ist das entscheidende Ergebnis unserer Arbeit. Zur korrekten Interpretation war es hilfreich und teilweise sogar notwendig eine Feldverdampfungssimulation durchzuführen. Der Vergleich von Experiment und Simulation erlaubt dabei zusätzlich die Bestimmung von Simulationsparametern, wobei vor allem die Möglichkeit der Bestimmung der A-B-Bindungsenergie von Interesse ist. • XRD, TEM, FIM und TAP offenbaren eine L10/D019-Lamellenstruktur für TiAl mit Zusätzen von Nb oder Cr. Wird Ag hinzulegiert, so liegt eine L10-Matrix vor, in der sich nach Auslagerung Ag-reiche L12-Ausscheidungen bilden. • In L10-TiAl +X konnten Relationen für die Feldverdampfungsfeldstärken EEvap der einzelnen Elemente für die nichtgeordnete [100]-Richtung festgestellt werden: EEvap,Ti-Richtung. • Durch den Vergleich der, mittels DFT errechneten, Gesamtenergien von Einheitsund Superzellen ließen sich Bindungsenergieverhältnisse zweier Partner errechnen. Diese erklären die Platzbesetzung von Nb auf Ti-Plätzen im L10-Gitter, sowie die stark von den Konzentrationsverhältnissen abhängende Platzbesetzung von Cr und Ag. • Durch DFT berechnete Bindungsenergien ermöglichen Feldverdampfungssimulationen, die die Interpretation experimenteller Atomsondendaten, besonders im Hinblick auf die Platzbesetzung, unterstützen. • Für Wolfram konnten von der kristallographischen Richtung abhängige Feldverdampfungsfeldstärken festgestellt und erstmals quantitativ ermittelt werden. Der Unterschied zwischen der <110> und der <121>-Richtung beträgt hierbei (3.3±1.6)%. • Durch Vergleich der Abweichung der simulierten Spitzenkrümmung von Wolfram für verschiedene kristallographische Orientierungen mit experimentellen Ergebnissen konnte der, für die Berücksichtigung des externen Feldes in der Simulation wichtige, Straffaktor D=0.44 V/nm bestimmt werden. Im Rahmen unserer Arbeit wurden Grundlagen gelegt, die es ermöglichen, anhand von Atomsondendaten die Platzbesetzung in intermetallischen Phasen beliebiger Elemente zu bestimmen. Dabei können sogar Isotope unterschieden werden, sowie leichte Elemente, die sich einer Analyse durch ALCHEMI entziehen, untersucht werden. Sogar eine sich verändernde Konzentration innerhalb eines Korns und die sich damit ändernde Platzbesetzung kann ermittelt werden. Es genügt, unter günstigen Bedingungen, eine zweistellige Anzahl von Atomen des hinzulegierten Typs in der Messung um die Bevorzugung einer Platzbesetzung zu ermitteln. Dies entspricht einigen nm3. Alleine anhand gut bekannter Materialparameter wie Sublimationsenergie, Ionisationsenergie und Austrittsarbeit konnten Feldverdampfungssimulation durchgeführt werden, durch die erstmals mittels experimenteller Atomsondendaten die A-B-Bindungsenergie einer intermetallischen Phase bestimmt werden konnte. Somit wurde ein vergleichsweise einfacher Zugang zu einer Größe erlangt, die auch in der theoretischen Beschreibung anderer Effekte von Bedeutung ist. Unabhängig davon können alternativ durch DFT berechnete A-B- Bindungsenergien für die Simulation von Atomsondendaten beliebiger Materialien verwendet werden.

Publications

• Analysis of site Occupancies and Ordering in TiAlNb. DPG, Berlin, Germany 03/2005
  
  
• Investigation Of Atomic Site Occupation Of Nb Doped TiAl/Ti3Al Intermetallics. IFES, Graz, Austria 07/2005
  
  
• Atom Probe Tomography (APT) and Computer Simulation of the site occupation of atoms in pure and doped TiAl intermetallic. Nanjing University, China 03/2006
  
  
• Computer simulation of the field evaporation in TiAl with additions of Nb and comparison with experimental results using a new algorithmic approach. IFES, Guilin, China 07/2006
  
  
• Computer simulation of the field evaporation in TiAl with additions of Nb. DPG, Dresden, Germany 03/2006
  
  
• Dissociation of super-dislocations and the stacking fault energy in TiAl based alloys with Nb-doping. Physics Letters A, Volume 358, Issue 3, 16 October 2006, Pages 231-235
  Y. Yuan, H.W. Liu, X.N. Zhao, X.K. Meng, Z.G. Liu, T. Boll, T. Al-Kassab
  
• Investigation of the site occupation of atoms in pure and doped TiAl/Ti3Al intermetallic. IFES, Guilin, China 07/2006
  
  
• Untersuchung der Platzbesetzung in γ-TiAlNb mittels Atomsondentomographie und Simulation. Junior DGM , Berlin, Germany 07/2006
  
  
• Investigation of the ordering and atomic site occupancies of Nb-doped TiAl/Ti3Al intermetallics. Surface and Interface Analysis, Volume 39, 2007, Pages 257-261
  T. Al-Kassab, Y. Yuan , C. Kluthe, T. Boll, Z.G. Liu
  
• Investigation of the site occupation of atoms in pure and doped TiAl/Ti3Al intermetallic. Ultramicroscopy, Volume 107, Issue 9, September 2007, Pages 796-801
  T. Boll, T. Al-Kassab, Y. Yuan, Z.G. Liu
  
• Site occupation and order in γ-TiAl with ternary additions. DPG, Regensburg, Germany 03/2007
  
  
• AtomVicinity - How to analyze the local environment of atoms. Workshop “Atom Probe Reconstruction and Data Analysis”, Sydney, Australia 12/2008
  
  
• Determination of site occupation and A-B binding parameters in intermetallics. IFES (International Field Emission Symposium) Rouen, France 07/2008
  
  
• Site occupation and order in intermetallics – A path beyond the detection limits. Junior Euromat, Lausanne, Switzerland 07/2008
  
  
• How to apply a simulation of field evaporation of intermetallic phases to extract material parameters. DPG (German Physical Society Conference), Dresden, Germany 03/2009
  
  
• Bestimmung von Platzbesetzung und Bindungsenergien mittels Atomsondentomographie. Dissertation, Universität Göttingen, 2010
  Torben Boll