Untersuchungen zum Nukleations- und Erstarrungsverhalten von polytetraedrischen Legierungsphasen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Nukleations- und Wachstumsverhalten von quasikristallinen Phasen, deren Approximanten und normalkristallinen Phasen untersucht. Durch die Anwendung der elektromagnetischen Levitationstechnik wurden massive Proben (ca. 1 g) mit Kühlraten von ca. 10 K/ s tief unterkühlt. Die aus den unterkühlten Schmelzen erstarrten Proben wurden anschließend mittels TEM, REM, DTA und Röntgenbeugung analysiert, wobei der Schwerpunkt der Untersuchung auf der Identifikation der primär erstarrten Phase lag. Für Al-Pd-Mn-Schmelzen der Zusammensetzung Al$_{72}$Pd$_{21}$Mn$_{7}$ wurde eine Unterkühlung von $\Delta$T$^{1}$ = 125 K bezüglich der Liquidustemperatur der ikosaedrischen I-Phase erzielt, was einer relativen Unterkühlung von $\Delta$T$_{rel}$ = 0,1 entspricht. In Al-Co-Legierungen der Zusammensetzung Al$_{74}$Co$_{26}$, Al$_{75}$Co$_{25}$ und Al$_{77}$Co$_{23}$ gelang es, die metastabile dekagonale Phase durch Erstarrung aus der unterkühlten Schmelze zu bilden und deren virtuelle Schmelztemperatur zu bestimmen. Die maximal erzielte Unterkühlung an Schmelzen dieser Zusammensetzungen bezüglich der Schmelztemperatur der D-Phase beträgt einheitlich $\Delta$T$^{D}$= 200 K ($\Delta$T$_{rel}$ = 0,14). Für die metastabile D-Phase in Al$_{74}$Co$_{26}$, die einphasig bei Abkühlung bis auf Raumtemperatur erhalten bleibt, wurde darüber hinaus die Schmelzentropieexperimentell bestimmt. Die Unterkühlungswerte, die in dieser Arbeit an den untersuchten quasikristallbildenden Schmelzen erzielt wurden, sind vergleichbar mit Unterkühlungen, die an anderen quasikristallbildenden Legierungssystemen gemessen wurden. Aus maximal unterkühlten Al$_{72}$Co$_{25}$-Schmelzen erstarrt primär die kubische $\beta$-Phase. Die bezüglich ihrer Schmelztemperatur erzielte Unterkühlung beträgt $\Delta$T$^{\beta}$ = 340 K. Der entsprechende relative Unterkühlungswert von $\Delta$T$_{rel}$ = 0,21 ist vergleichbar mit den von Turnbull [1950] berichteten Werten für Schmelzen reiner Metalle ($\Delta$T$_{rel} \approx$ 0,2). In Al-Fe sind Unterkühlungen bezogen auf die Schmelztemperaturen der polytetraedrischen Phasen gemessen worden, die zwischen denen der ikosaedrischen und der normalkristallinen Phase liegen. Für Al$_{13}$Fe$_{4}$-Schmelzen, die primär die $\alpha$-Phase formen, welche in ihrer Einheitszelle von 100 Atomen ausgeprägte polytetraedrische Strukturelemente aufweist, wurde eine relative Unterkühlung von $\Delta$T$_{rel}$ = 0,12 ermittelt. Eine geringfügig größere relative Unterkühlung von $\Delta$T$_{rel}$ = 0,136 ergab sich für Al$_{5}$Fe$_{2}$-Schmelzen, in denen sich primär die $\mu$-Phase bildet. In ihrer Einheitszelle von 15 Atomen liegen verzerrte polytetraedrische Strukturen vor. Für die relativen Unterkühlungen der in dieser Arbeit untersuchten Phasen ergibt sich$\Delta T^{I}_{rel} < \Delta T^{\lambda}_{rel} < \Delta T^{\mu}_{rel} < \Delta^{D}_{rel} < \Delta T^{\beta}_{rel}$. Die Resultate der Unterkühlungsexperimente wurden im Rahmen der klassischen Keimbildungstheorie unter der Annahme homogener Keimbildung diskutiert. Die Auswertung ermöglicht eine Abschätzung der Energie der Grenzfläche zwischen Keim und unterkühlter Schmelze und liefert die kleinste Grenzflächenenergie zwischen einem Keim mit ikosaedrischer Struktur und Schmelze. Der größte Wert ergibt sich für die Grenzfläche zwischen einem Keim der $\beta$- bzw. $\mu$-Phase und der Schmelze. Insgesamt erhält man eine Relation von $\sigma^{I} < \sigma^{\lambda} \approx \sigma^{D} < \sigma^{\mu} \approx \sigma^{\beta}$. Da die Grenzflächenenergie außer von der Struktur auch von der Temperatur abhängt, wurden die aus den Unterkühlungsexperimenten bestimmten Grenzflächenenergien im Rahmen des negentropischen Modells ausgewertet, um den Struktureinfluß zu untersuchen. Dieser [...