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Phase-equilibria, structural and physical characterization in the ternary system Al–Fe–Si and the quaternary system Al–Fe–Si–Ti

Marker, Martin C.J. (2013) Phase-equilibria, structural and physical characterization in the ternary system Al–Fe–Si and the quaternary system Al–Fe–Si–Ti.
Dissertation, Universität Wien. Fakultät für Chemie
BetreuerIn: Richter Klaus

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29547.53839.742363-9
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Abstract in Englisch

The present investigation was part of a research project with the aim to systematically investigate phase equilibria of transition metals like Co, Cu, Fe, Mo, Ti, V with Al and Si. Some phases existing in this system are highly important for industrial application because of their advantageous properties. It is necessary to understand alteration of intermetallic phases under the influence of temperature, mechanical stress and composition. Phase equilibria in the Al–Fe–Si–Ti system are of potential interest for the development of new structural alloys based on Fe- and Ti-aluminides and composites with Ti-silicides for high temperature applications. The aim of the investigation was to determine the phase equilibria and to characterize selected physical properties. Optical microscopy and powder X-ray diffraction (XRD) followed by Rietveld refinement was used for initial sample characterization. Electron probe microanalysis (EPMA) and scanning electron microscopy (SEM) of the annealed samples were used to determine the exact phase compositions. Thermal reactions were studied by Differential Thermal Analysis (DTA). Characterization of mechanical properties was done and performed by microhardness measurements. The ternary subsystem Al–Fe–Si system was studied with an isothermal section at 800 °C in the Al-rich part and at 900 °C in the Fe-rich part and with half a dozen vertical sections at 27, 35, 40, 50 and 60 at.% Fe and 5 at.% Al. Our experimental results are generally in good agreement with the most recent phase diagram versions of the system Al–Fe–Si. A new ternary high-temperature phase τ12 (cF96, NiTi2-type) with the composition Al48Fe36Si16 was discovered and structurally characterized by means of single crystal and powder XRD. The variation of the lattice parameters of the trigonal phase τ1 with the composition Al2+xFe3Si3-x (- 0.73 < x < 1.3) was studied in detail. Only small solubility of Al in the low temperature modification LT-FeSi2 (ζβ) but significant solubility in the high temperature modification HT-FeSi2 (ζα) ( 8.5 at.% Al) was found. The high temperature modification of FeSi2 is stabilized to much lower temperature in the ternary. A partial reaction scheme (Scheil Diagram) was established. DTA results in four selected vertical sections at 40, 50 and 60 at.% Fe and 5 at.% Al were compared with calculated sections based on a recent CALPHAD assessment. The deviations of liquidus values are significant, suggesting the need for improvement of the thermodynamic models. The quaternary system Al–Fe–Si–Ti was studied in the iron rich corner in the sections at 50, 60 and 70 at.% Fe at 900°C. All experimental data were evaluated and combined with available sections of the ternary subsystems Al–Fe–Si, Al–Fe–Ti and Fe–Ti–Si to yield a con-sistent description of isothermal phase equilibria presented in three sections at 50, 60, and 70 at.% Fe. Special efforts were made to distinguish between the disordered A2 and ordered B2 and D03 structures by analysis of the XRD powder patterns. Trends of cell parameter and site occupations with the composition were discussed for the B2 and Laves phase. Microhardness measurements were performed on selected samples at different compositions throughout their quaternary homogeneity range in order to determine Vickers hardness (HV) of the B2 and Laves phase in the quaternary. For the Laves phase an increase of HV with decreasing cell-volume and decreasing c/a ratio was found because of the correlation between the cell parameters and the Al-, Si- and Ti-amount. The substitution of Ti by Fe on the Ti-sublattice decreases the Vickers hardness for the Laves phase. A considerable increase of the HV with the Si-content was found for the B2 phase. Thermal reactions of the quaternary system Al–Fe–Si–Ti were investigated in the Fe-rich area. The interpretation of effects is presented in the form of three partial liquidus projections at 50, 60 and 70 at.% Fe and five selected vertical sections at 60 and 70 at.% Fe. On the basis of the microstructure of selected alloys the primary crystallization fields of the Laves phase, τ2, FeSi and A2/B2 were discussed. Due to the problem of quenching a second-order transition, it was not possible to distinguish A2 and B2 domains in the liquidus projection. Anti-phase-domains (ABDs) characterization by TEM measurements would be necessary investigate this topic. It was not possible to interpret all experimental data from DTA, so a thermodynamic modeling of the system would be helpful for a full understanding of phase reactions in the Fe-rich corner.

Schlagwörter in Englisch

Aluminides / Ternary alloy systems / High-temperature phase / Phase diagrams / Crystallography / Multiphase intermetallics / Laves phases / Iron aluminides / Phasediagrams / Mechanical properties at ambient temperature / Thermal properties / Microstructure

Abstract in Deutsch

Die hier dargelegte Arbeit entstand aus einem Forschungsprojekt das zum Ziel hatte, Phasengleichgewichte und Eigenschaften von Aluminiumsiliziden in Kombination mit 3d-Übergangsmetallen wie Co, Cu, Fe, Mo, Ti oder V zu untersuchen. Legierungen auf Basis von Fe- und Ti-Aluminiden und Komposita mit Ti-Siliziden sind für die Entwicklung neuer Materialien für Hochtemperaturanwendungen von großer potentieller Bedeutung. Für die technische Anwendung von Legierungen und die Entwicklung von neuen Werkstoffen sind genaue Kenntnisse von Phasengleichgewichten, der Stabilität von Phasen in Abhängigkeit von Temperatur und der mechanischen Eigenschaften nötig. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war deshalb eine detaillierte Beschreibung der Phasengleichgewichte im ternären System Al–Fe–Si und die Untersuchung von Phasengleichgewichten bzw. spezieller physikalischer Eigenschaften im quaternären System Al–Fe–Si–Ti. Die qualitative Charakterisierung aller Proben wurde mittels optischer Mikroskopie und Pulver-Röntgendiffraktometrie mit anschließender Rietveld-Verfeinerung durchgeführt. Die Quantifizierung der Gleichgewichtszusammensetzung wurde mittels Elektronenstrahlmikro-analyse (ESMA) bzw. Raster-Elektronenmikroskopie (REM) durchgeführt. Die Untersuchung von thermischen Effekten wurde unter Verwendung von Differenzthermoanalyse (DTA) durchgeführt. Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften ausgewählter Phasen erfolgte mittels Härtemessungen. In Abhängigkeit der Zusammensetzung wurde die s ogenannte Vickershärte (HV) bestimmt. Bei genauer Betrachtung und Vergleich der Literatur ergaben sich für das ternäre System Al–Fe–Si trotz zahlreicher Untersuchungen einige Unstimmigkeiten und ungeklärte Bereiche. Aus diesem Grund wurde eine detaillierte Untersuchung dieser Bereiche durchgeführt. Charakterisiert wurde das ternäre System Al–Fe–Si mittels zwei isothermer Schnitte, bei 800 °C im aluminiumreichen Teil und bei 900 °C im eisenreichen Teil. Im Zuge der detaillierten Untersuchungen wurde eine neue Hochtemperaturphase τ12 (cF96, NiTi2-Typ) mit der Zusammensetzung Al48Fe36Si16 entdeckt. Die genaue Charakterisierung der Struktur wurde mittels Röntgen-Einkristallstrukturanalyse und Pulverdiffraktometrie vorgenommen. Außer-dem wurde die genaue Änderung der Gitterparameter mit der Zusammensetzung für die trigonalen Phase τ1: Al1+xFe3Si4-x (0.7 < x < 2.3) untersucht. Im Bereich der binären Phase FeSi2 wurde für die Tieftemperaturmodifikation LT-FeSi2 (ζβ) eine nur geringe Löslichkeit von Aluminium, in der Hochtemperaturmodifikation HT-FeSi2 (ζα) hingegen eine Löslichkeit von 8.5 at.% Al gefunden. Auch ist die Phase HT-FeSi2 im Vergleich zum binären System zu tieferen Temperaturen stabilisiert. Ein partielles Reaktionsschema (Scheil Diagramm) wurde erstellt. Zusätzlich wurden sechs vertikale Schnitte, sogenannte Isoplethen bei 27, 35, 40, 50 und 60 at.% Fe und 5 at.% Al konstruiert. Vier dieser Isoplethen wurden mit den aus CALPHAD-Berechnungen gewonnene Isoplethen verglichen. Es wurden signifikante Abweichungen der Liquidustemperaturen festgestellt, die eine Anpassung des Modells nahelegen. Das quaternäre System Al–Fe–Si–Ti wurde im Eisen-reichen Teil bei 50, 60 und 70 at.% Fe bei 900°C untersucht. Im Speziellen wurde auch versucht, anhand der Verfeinerung der Pulverdiffraktogramme die Bereiche mit A2/B2/D03-Struktur im eisenreichen Teil zu beschreiben. Der Verlauf der Gitterparameter für die B2-Phase und die Laves Phase wurden untersucht in Abhängigkeit der Phasenzusammensetzung. Zusätzlich wurden Härtemessungen an ausgewählten Proben im gesamten untersuchten Homogenitätsbereich des Systems durch-geführt. Die thermischen Reaktionen im eisenreichen Teil wurden mittels DTA untersucht. Die Interpretation der gemessenen Effekte wurde in Form von drei Schnitten durch die quaternäre Liquidusprojektion bei 50, 60 und 70 at.% Fe und fünf vertikalen Schnitten (Isoplethen) bei einer Konzentration von 60 und 70 at.% Fe dargestellt. Des Weitern konnten Primärkristallisationsbereiche der Phasen Fe2Ti (Laves Phase), A2/B2, FeSi und τ2 identifiziert werden. Die Gefügestruktur der jeweiligen Primärkristallisation wurde anhand von ausgewählten Proben diskutiert. Im Hinblick auf die Schwierigkeit Phasenübergänge 2. Ordnung beim Abschrecken der Schmelzen “einzufrieren”, würde die Untersuchung der Antiphasen-Domänen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) besseren Aufschluss über den Ordnungsverlauf der Phasenübergänge A2, B2 oder D03 geben. Eine vollständige Interpretation aller experimentellen Daten die mittels Differenzthermoanalyse (DTA) erhalten wurden, war nicht möglich. Thermodynamische Modellrechnungen im eisenreichen Teil dieses Systems würden zum besseren Verstehen der Phasenreaktion beitragen.

Schlagwörter in Deutsch

Aluminide / Ternäre Legierungssysteme / Hochtemperatur Phase / Phasendiagramme / Kristallographie / Mehrphasige intermetallischen Verbindungen / Laves Phasen / Eisenaluminide / Phasendiagramme / Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur / Thermische Eigenschaften / Mikrostruktur (Gefüge)

Dokumentenart: Hochschulschrift (Dissertation)
AutorIn: Marker, Martin C.J.
Titel: Phase-equilibria, structural and physical characterization in the ternary system Al–Fe–Si and the quaternary system Al–Fe–Si–Ti
Umfangsangabe: 191 S.
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Chemie
Publikationsjahr: 2013
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Richter Klaus
BeurteilerIn: Schuster, Julius
2. BeurteilerIn: Palm, Martin
Klassifikation: 35 Chemie > 35.10 Physikalische Chemie: Allgemeines
35 Chemie > 35.12 Chemische Thermodynamik, Phasenlehre
35 Chemie > 35.90 Festkörperchemie
35 Chemie > 35.49 Anorganische Chemie: Sonstiges
AC-Nummer: AC11682053
Dokumenten-ID: 29436
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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