Bestimmung der Fehlpassungen und Untersuchun
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Berichte aus der Materialwissenschaft Elizaveta Nikulina Bestimmung der Fehlpassungen und Untersuchungen von Kristallfehlern in Platin- und Nickel-Basis Legierungen mit Hilfe der konvergenten Elektronenbeugung Shaker Verlag Aachen 2011 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Zugl.: Bayreuth, Univ., Diss., 2010 Copyright Shaker Verlag 2011 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN 978-3-8322-9785-5 ISSN 1618-5722 Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9 Internet: www.shaker.de • E-Mail: [email protected] Zusammenfassung In dieser Arbeit wurden die einzelnen Anwendungen der konvergenten Elektronenbeugung-Methode (CBED) ausgearbeitet, um die Gitterfehlpassung der beiden Phasen γ´ und Matrix der Pt- und Ni-Basis-Legierungen zu bestimmen. Die Untersuchungen wurden an den folgenden Legierungen durchegführt: Pt82Al12Cr6 mit 82 at.% Pt, 12 at.% Al, 6 at.% Cr und Ni82Al12Ti6 mit 82 at.% Ni, 12 at.% Al, 6 at.%. Beide Legierungen bestehen aus Pt- und bzw. Ni-reichen Mischkristallen (γ−Phase mit einer kubisch-flächenzentrierten ungeordneten Kristallstruktur) und verstärkten Alreichen γ´-Ausscheidungen (L12 mit einer kubisch-flächenzentrierten geordneten Kristallstruktur). Das dritte Element, d.h. Cr oder Ti verteilt sich mehr auf die γ−Phase im Fall von Pt82Al12Cr6 bzw. auf die γ´−Phase im Fall von Ni82Al12Ti6. Die Gitterparameterbestimmungen mit nachfolgender Gitterfehpassungsbestimmung wurden durch Vergleichen der experimentellen und simulierten CBED-Ausnahmen oder genauer durch Vergleichen der Abstände zwischen Linienschnittpunkte der HOLZ-Linien in der zentrale CBED-Scheibe durchgefuhrt. Für den obergenannten Vergleich wurde eine Verhältnis-Methode benutzt. Alle Simulationen wurden dynamisch durchgeführt, um die dynamischen Effekte zu berücksichtigen, welche für schwere Elemente (in unserem Fall besonderes für Platin) signifikant sind. Die Simulationen von experimentellen CBED-Aufnahmen in dieser Arbeit wurden mit Hilfe der JEMS Software (basierend auf der Bloch-Wellen-Theorie) und der Mulsi Software (basierend auf der Multislice-Theorie) durchgeführt. Die Bloch-WellenTheorie ist besser für perfekte Kristalle geeignet während die Multislice-Theorie uns ermöglicht CBED-Aufnahmen von defekten Kristallen (erhaltenden Antiphasengrenzen in unserem Fall) zu simulieren, obwohl die MultisliceSimulationen im Vergleich zu Bloch-Simulationen sehr zeitaufwendig sind. Es wurde außerdem gezeigt, dass sich mit dieser Methode die Gitterparameterwerte mit einer Genauigkeit von 0,05 bis 0,3 pm bestimmen lassen. Hierdurch ergibt sich eine Genauigkeit in der Bestimmung der Gitterfehlpassung von 3·10-5 bis 30·10-5, Tab. 1. Die Kristallstrukturdefekte wurden in den Legierungen Pt82Al12Cr6 und Ni82Al12Ti6 mittels der konvergenten Großenwinkeln-Elektronenbeugung- und konvergenten Elektronenbeugung-Methoden (LACBED und CBED) untersucht. Hierbei wurden in den L12-Ausscheidungen der Pt-Basis-Legierung Flächendefekte ermittelt. Unter Verwendung der konvergenten Großenwinkeln-Elektronenbeugung- und konvergente Elektronenbeugung-Methoden konnte gezeigt werden, dass diese Flächendefekte Antiphasengrenzen sind, welche um den Verschiebungsvektor innerhalb der L12 Strukturen verschoben sind. Dass die mittels CBED-Aufnahmen gefundenen Flächendefekte auf Antiphasengrenzen mit den dazugehörigen Verschiebungsvektoren basieren, wurde mittels einer dynamischen Simulation (Multislice-Methode) bestätigt. Unter Verwendung der Aufspaltung der HOLZ-Linien konnten Aussagen über die Kristallstruktur getroffen werden. Hierbei ist die Matrix in der Nähe der γ/γ´Grenzfläche der Ni82Al12Ti6 wegen einer Spannungsrelaxation in dünnen TEM-Folien verzerrt, wodurch es zu einer Krümmung der Gitterebenen kommt. Die Winkelbreite der Aufspaltung der HOLZ Linien erlaubt die Abschätzung des Verbiegungswinkel der Gitterebenen in der Matrix von Ni-Basis Legierung. Tab. 1: Gitterparameter und Gitterfehlpassungen von Pt82Al12Cr6 und Ni82Al12Ti6 berechneten durch CBED. Probe Gitterparameter, [pm] Gitterfehlpassung, [10-3] Kühlhalter (-170°C) Raum Temperatur (20°C) Kühlhalter (-170°C) Raum Temperatur (20°C) 389,9 ± 0,2 387,8 ± 0,3 390,3 ± 0,2 388,4 ± 0,3 -5,4 ± 0,3 -4,9 ± 0,3 Pt82Al12Cr6 aMatrix aγ´ Ni82Al12Ti6 aMatrix 355,28 ± 0,05 aγ´ 357,40 ± 0,06 5,95 ± 0,03 Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das hohe Potential der CBED-Methode für lokale Untersuchungen der Kristallstruktur und Kristallfehler von γ/γ´-Legierungen auch auf der Basis von so schweren Elementen wie Platin. Der wichtigste Vorteil dieser Methode ist neben der hohen Genauigkeit bei der Bestimmung der Gitterparameter und Gitterfehlpassung auch die hohe räumliche Auflösung, die in unserem Fall bei ungefähr 3000 nm3 liegt. Summary In this work the details of application of CBED (convergent beam electron diffraction) method for determination of lattice misfit of γ/γ´ Pt- and Ni-base alloys were elaborated. Investigations were carried out on Pt 82Al12Cr6 alloy with 82 at.% Pt, 12 at.% Al, 6 at.% Cr and Ni82Al12Ti6 alloy with 82 at.% Ni, 12 at.% Al, 6 at.% Ti. Both alloys were consisting of Pt- and Ni-rich solid solution (γ-phase with facecentred cubic unordered structure) respectively and hardening Al-rich γ´-precipitates (L12 with face-centred cubic ordered structure). The third element, i.e., Cr and Ti partitioned strongly to γ−phase in the case of Pt82Al12Cr6 and to γ´−phase in the case of Ni82Al12Ti6. The lattice parameters followed by calculation of lattice misfits were determined by means of comparison of experimental and simulated CBED patterns or, more specifically, of the distances between intersections of HOLZ (High Order Laue Zone) lines in the central CBED disc. For that comparison a ratio method was used. All simulations were dynamically calculated due to the necessity to take into account the dynamical effects which are significant for heavy elements (in our case especially for platinum). The simulations of experimental CBED patterns in this work were generated in JEMS software (based on Bloch-wave theory) and Mulsi software (based on multislice theory). Bloch-wave theory is more suitable for perfect crystals whereas multislice theory allows us to simulate CBED patterns of defect crystals containing in our case antiphase boundaries, but the multislice simulations are more time-consuming in comparison with Bloch-wave ones. Additionally it could be shown that CBED method allows obtaining the values of lattice parameter with accuracy in the range of 0.05-0.3 pm, leading to a misfit accuracy determination from 3·10-5 to 30·10-5, see Tab. 1. Large-angle convergent beam electron diffraction and convergent beam electron diffraction methods (LACBED and CBED) were applied as well for investigation of the defects in crystal structure of both Pt82Al12Cr6 and Ni82Al12Ti6 alloys. The planar defects were found in the L12 precipitates of Pt-base alloy and by means of LACBED and CBED methods it was shown that these planar defects are antiphase boundaries with shift vector common for other L12 structures . The dynamical simulation (multislice method) of CBED pattern of the faulted structure with antiphase boundary confirms this shift vector. By means of HOLZ-lines splitting it could be determined that the crystal lattice of the matrix near γ/γ´ interfaces in Ni82Al12Ti6 is distorted due to stress relaxation in thin TEM foils and as a result lattice planes are bent. Angle value of HOLZ line splitting allowed estimating the bent angle of lattice planes in the matrix. Tab. 1: Lattice parameters and lattice misfits in Pt82Al12Cr6 und Ni82Al12Ti6 calculated by means of CBED. Sample Lattice parameter, [pm] Lattice misfit, [10-3] Cooling holder (-170°C) Room temperature (20°C) Cooling holder (-170°C) Room temperature (20°C) 390.3 ± 0.2 388.4 ± 0.3 -5.4 ± 0.3 -4.9 ± 0.3 Pt82Al12Cr6 aMatrix aγ´ 389.9 ± 0.2 387.8 ± 0.3 Ni82Al12Ti6 aMatrix aγ´ 355.28 ± 0.05 357.40 ± 0.06 5.95 ± 0.03 The results obtained in this work confirm the high potential of CBED method for the local investigations of crystal structure and crystal defects of γ/γ´ alloys even based of such heavy elements like platinum. The most important advantage of this method besides high accuracy of lattice parameter determinations and, correspondingly, lattice misfit determinations is very high spatial resolution, in our case it was around 3000 nm3.
