Untersuchung von mechanisch legierten Systemen auf Fe- und Cu-Basis mittels tomographischer Atomsonde (TAP)
Final Report Abstract
Die Legierungsprozesse und die Homogenität auf der nm-Skala wurden mithilfe verschiedener Analysemethoden für Fe-Cu Pulver mit verschiedenen nominellen Zusammensetzungen erfolgreich untersucht. Diese Pulverpartikel waren durch mechanisches Legieren in einer Planetenkugelmühle hergestellt worden. Zum ersten Mal gelang es die Proben für die Analyse mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Atomsondentomographie (APT) aus den unkompaktierten Pulvern herzustellen, indem die neue Technik der Bearbeitung mit dem Fokussierten Ionenstrahl (FIB) zur ortsgenauen Präparation genutzt wurde. So konnten Artefakte durch weitere Präparationsschritte vermieden werden. Manche Ergebnisse früherer Publikationen auf dem Gebiet des mechanischen Legierens mittels Kugelmahlens konnten bestätigt werden. Jedoch waren andere Arbeiten meist darauf beschränkt, den Legierungsprozess mithilfe der Röntgendiffraktometrie (XRD) und somit auf einer weitaus gröberen Skala zu untersuchen. Mit dieser Methode erschienen auch innerhalb dieser Studie die Pulver bereits nach kurzer Mahldauer und auch mit hohen Minoritätskonzentrationen homogen legiert. Während die Fe-reichen Proben auch in der Feinbereichsbeugung des TEM homogen legiert erschienen (keine Cu-Reflexe), konnte für die Cu-reichen Proben noch unlegiertes Fe detektiert werden. Im Gegensatz zu den Röntengenergenissen zeigten Untersuchungen mittels APT für alle Proben, dass nach kurzen Mahldauern (unter 10 h) noch signifikante Volumenanteile unlegiert verblieben, also inhomgen auf der nm-Skala. Dieser Befund ist deutlich ausgeprägter für die Cu-reichen Proben (90-97,5 at% Cu). Die Fereichen Proben (90-97,5 at% Fe) dagegen zeigen ein Ausglätten dieser Heterogenitäten. Sogar auf der atomaren Skala kann für diese Proben volle Homogenität erreicht werden, wie anhand der APT-Ergenisse gezeigt werden konnte. Dies bedeutet eine echte Ausweitung des Mischbarkeitsbereiches für kugelgemahlene Pulver im Vergleich zum Gleichgewichtsphasendiagramm. Ausserdem konnte dank der herausragenden chemischen Analysefähigkeit der Atomsonde nicht nur das Einlegieren des Cu in die Fe-Matrix auf der atomaren Skala beobachtet werden, sondern auch die Verteilung von Fremdatomen aufgezeigt und analysiert werden. Die Verteilung des Sauerstoffs – der Hauptverunreinigung – ist ebenfalls sehr inhomogen für kurze Mahldauern. Im Gegensatz zur Cu-Verteilung wird die Inhomogenität des Sauerstoffs jedoch nicht ausgeglättet und auch nach den längsten Mahldauern (50 h) liegt dieser noch stark inhomogen verteilt vor. Dies mag durch eine Korngrenzsegregation dieser Fremdatome begründet sein. Damit wurde die erwartete Kongrenzsegregation der Minoritätskomponente (Cu) nicht gefunden sondern wahrscheinlich auf die Fremdatome (O) übertragen. Um definitive Aussagen zum Thema der Kongrenzsegregation treffen und mit den TEM-Ergebnissen korrelieren zu koennen, war das Sichtfeld der verwendeten Atomsonde jedoch nicht ausreichend. Die in frueheren Arbeiten postulierte Existenz intermetallischer oder oxidischer Phasen konnte in dieser Studie nicht bestaetigt werden. Generell wurde in den APT-Analysen der Fe-reichen Proben zu wenig Cu detektiert. Nasschemische Untersuchungen zeigten ebenfalls einen höheren Fe-Gehalt als den nominellen. Die Röntgenergebnisse deuten stark darauf hin, dass Cu während des Mahlvorgangs in der Kugelmühle verloren geht, indem es an den Wänden des Mahlbehälters sowie an den Kugeln haften bleibt. Wird eine ganz bestimmte Cu-Konzentration in den endgültigen Pulvern verlangt, sollte man diesen Verlust einkalkulieren. Eine Möglickeit wäre es, von Anfang an mehr Cu einzuwiegen, eine andere, die Kugelmühle drastisch herunterzukühlen. Letzteres zielt auf die Erniedrigung der Duktilität des Cu, würde jedoch gleichzeitig die Verformungsund somit die Legierungsprozesse grundlegend verändern, zumal es den Übergang von einem duktil-spröde System zu einem spröde-spröde System herbeiführen würde. Insbesondere für die Cu-reichen Proben bedarf es weiterer Studien um die Statistik der Aussagen über die Fe-Anreicherungen zu verbessern. Mit dem Einsatz einer laserunterstützten Atomsonde kann dies wahrscheinlich erreicht werden, zumal durch den Laser die mechanische Beaspruchung der Spitzen deutlich reduziert würde. In Hinblick auf die Fe-reichen Proben wären Untersuchungen mit einer Weitwinkelatomsonde sinnvoll, um Grenzflächen und die relative Orientierung der Körner bestimmen zu können und somit die O-Anreicherungen und die Kornstruktur zu korrelieren. So könnte abschließend geklärt werden, ob der Sauerstoff an den Kongrenzen segregiert oder nicht. Innerhalb dieses Projektes konnte noch nicht auf die thermische Stabilität der Pulver eingegangen werden, die allerdings für das Ausloten neuer Anwendungsmöglichkeiten essentiell ist.
Publications
- 03/2007 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), Regensburg, Deutschland: ‘Mechanically alloyed nanocrystalline Fe-Cu-powders investigated by Atomprobe Tomography (APT)’
Catharina G. Wille
- 03/2007 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), Regensburg, Deutschland: ‘Sample preparation from mechanically alloyed CuFe powders by means of focussed ion beam‘
Malte Schmidt
- 06/2007 Summer School on Women-in-nano: Career Development and Research Trends, Specific Support action funded by European Commission within the 6th Framework Programme on Research, Technological Development and Demonstration, Tarragona, Spanien: ‘Mechanically alloyed nanocrystalline Fe-Cu-powders investigated by Atomprobe Tomography (APT)’
Catharina G. Wille
- 10/2007 University of Ulsan, Süd Korea
T. Al-Kassab
- 10/2007 University of Ulsan, Süd Korea: ‘Mechanically alloyed nanocrystalline Fe-Cu-powders investigated by Atomprobe Tomography (APT)’
C. Wille
- Application of Focused Ion Beam to Atom Probe Tomography Specimen Preparation from Mechanically Alloyed Powders, Microsc. Microanal. 13 (2007) 347
P.P. Choi, T. Al-Kassab, Y.S. Kwon, J.S. Kim, R. Kirchheim
- Transmission electron microscopy and atomprobe specimen preparation from mechanically alloyed powder using the focused ionbeam lift-out technique, J. Electron. Microsc. (Tokyo) 56 (2007) 43
P.P. Choi, Y.S. Kwon, J.S. Kim, T. Al-Kassab
- 'Homogeneity of mechanically alloyed nano-crystalline Fe-Cu-powders'. Int. J. Mat. Res. 99, 541 (2008)
C. Wille, T. Al-Kassab, M. Schmidt, P.P Choi, Y. S. Kwon
- 03/2008 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), Berlin, Deutschland: ‘Initial stages of mechanical alloying of Fe-Cu-powders investigated by Atom Probe Tomography (APT)’
Catharina G. Wille
- 07/2008 International Field Emission Symposium (IFES), Rouen, Frankreich: ‘Homogeneity of mechanically alloyed nano-crystalline Fe–Cu-powders’
Catharina G. Wille
- 07/2008 International Field Emission Symposium (IFES), Rouen, Frankreich: ’A comparison of mechanical alloying in Fe-rich and Cu-rich nanocrystalline Fe–Cu-powders‘
Catharina G. Wille
- 07/2008 Junior Euromat, Lausanne, Schweiz (Poster): ‘Homogeneity of mechanically alloyed nano-crystalline Fe–Cu-powders ’
Catharina G. Wille
- 'An assessment of the homogeneity of nano-crystalline Fe-Cu powders as studied by means of APT'. Ultramicroscopy, 109 (5), 599-605 (2009)
C. Wille, T. Al-Kassab, P. Choi, Y.S. Kwon, R. Kirchheim
- 'Investigation of the segregation behaviour in nanocrystalline materials'. Doktorarbeit, Universität Göttingen (2009)
Catharina G. Wille
- 03/2009 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), Dresden, Deutschland: ‘Mechanical alloying of Fe-Cu powders: elaborating the microstructure at various scales’
Catharina G. Wille
- 09/2009 Euromat, Glasgow, Schottland: '3d microstructure and homogeneity of ball-milled Fe-Cu powders on the Angstrom scale'
Catharina G. Wille
