Role of interstitial atoms in microstructures and mechanical properties of TiNbZr and TiNbZrHfTa complex concentrated alloys

Wu, Chengguang; Raabe, Dierk; Ma, Yan

doi:44636

Role of interstitial atoms in microstructures and mechanical properties of TiNbZr and TiNbZrHfTa complex concentrated alloys

Wu, Chengguang^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Chengguang Wu, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor)^RWTH* ; Ma, Yan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06056
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1014386/files/1014386.pdf

Einrichtungen

Projekte

CSC 202106780003 - China scholarship council (202106780003) (202106780003)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
interstitial atoms (frei) ; mechanical properties (frei) ; microstrucure (frei) ; refractory complex concentrated alloys (RCCAs) (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Um der wachsenden globalen Nachfrage nach Transport und Energie gerecht zu werden, ist die Entwicklung effizienterer Turbinen und Kernreaktoren erforderlich, die bei höheren Temperaturen betrieben werden können und extremen Bedingungen (z. B. H₂-Exposition) standhalten. In den letzten zehn Jahren haben sich refraktäre komplex konzentrierte Legierungen (engl.: refractory complex concentrated alloys, kurz: RCCAs), bestehend aus drei oder mehr Übergangselementen der Gruppen IV, V und VI, als vielversprechende Materialien erwiesen. Sie bieten eine breite Zusammensetzungsvielfalt und verbesserte mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu herkömmlichen refraktären Legierungen. Die Sprödigkeit von RCCAs bei Raumtemperatur schränkt jedoch ihre praktische Anwendbarkeit erheblich ein. Aktuelle Studien zeigen, dass interstitielle Elemente maßgeblich zum spröden Verhalten von RCCAs bei Umgebungsbedingungen beitragen. Darüber hinaus verdeutlichen die starken Affinitäten zwischen interstitiellen Atomen und refraktären Elementen deren Einfluss auf die Mikrostruktur und Phasenstabilität, was wiederum die makroskopischen mechanischen Eigenschaften verändert. Diese Arbeit zielt darauf ab, ein tiefgreifendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen interstitiellen Atomen (insbesondere H) und RCCAs zu erlangen, wobei der Fokus auf deren Auswirkungen auf die Mikrostruktur, Phasenstabilität und mechanischen Eigenschaften liegt, um die Entwicklung von RCCAs mit optimierten Eigenschaften unter extremen Bedingungen voranzutreiben. (1) Wasserstoffaufnahme in TiNbZr-RCCA: In-situ Synchrotron Hochenergie-Röntgenbeugung kombiniert mit Dichtefunktionaltheorie zeigt eine durch Wasserstoff induzierte Gitterexpansion (stabil bei 500 °C) und eine Umwandlung (kubisch-raumzentriert zu raumzentrierte tetragonale beim Abkühlen) in TiNbZr RCCA. Wasserstoff besetzt bevorzugt die Tetraederlücken. Bei geordneter Verteilung von H im Kristallgitter, wird dieses tetragonal. (2) Wasserstoffunterstützte Spinodale Entmischung: In der untersuchten TiNbZrHfTa RCCA Legierung beeinflusst die Anwesenheit von H die spinodale Entmischung. Dadurch verändert sich die Phasenzusammensetzung und die Werkstoffhärte wird gesteigert. Ein thermodynamisches Modell zeigt, wie Wasserstoff zur Destabilisierung von Einphasenstrukturen beiträgt und so neue Möglichkeiten der Mikrostrukturmodifikation eröffnet. (3) Einfluss von Bor auf die Korngrenzenchemie: Die Segregation von Bor an der Korngrenze verändert die lokale chemische Zusammensetzung in TiNbZrHfTa-RCCA, reduziert die Streckgrenze und ermöglicht gleiten an der Korngrenze. Der verbesserte Gleittransfer durch Bor-Dotierung verdeutlichen den großen Einfluss, den gezielte Ausscheidungen auf die mechanischen Eigenschaften haben. (4) Erhöhung der Duktilität durch Sauerstoff induzierte nanoskalige chemische Heterogenität: Die interstitielle Einlagerung von Sauerstoff in TiNbZr-RCCA führt zur Bildung einer nanoskaligen chemischen Heterogenität, die sich in Ti-Konzentrationsfluktuationen manifestiert. Die Ti-angereicherten Bereiche wirken als starke Versetzungsbarrieren, was zu einer erhöhten Verfestigungsrate und gesteigerten Dehnratenempfindlichkeit führt, diese Effekte werden begleitet von einer Verfeinerung der Deformationsbänder begleitet. Die mikrostrukturellen Merkmale tragen gemeinsam zur verbesserten Duktilität bei, während die Streckgrenze erhalten bleibt, und stellen somit eine vielversprechende Strategie zur Überwindung Festigkeits-Duktilitäts-Kompromisses in RCCAs dar. Diese Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Rolle interstitieller Atome bei der Beeinflussung der Mikrostruktur und Phasenstabilität, welche letztlich die makroskopischen mechanischen Eigenschaften prägen, und bieten eine Grundlage für die Entwicklung von RCCAs mit maßgeschneiderten Eigenschaften für anspruchsvolle Anwendungen.

To address the growing global demand for transportation and energy, the development of more efficient turbine engines and power generators capable of operating at higher temperatures and tolerating extreme conditions (e.g., H2 exposure) is essential. Over the past decade, refractory complex concentrated alloys (RCCAs), consisting of three or more transition elements from groups IV, V, and VI, have emerged as promising materials due to the vast compositional versatility and superior mechanical properties at elevated temperatures compared to the conventional refractory alloys. However, the brittleness of RCCAs at room temperature significantly limits their practical applications. Recent findings indicate that interstitial elements contribute to the brittle behavior of RCCAs at ambient conditions. Moreover, the strong affinities between interstitials and refractory elements underscore the influence of these small atoms on microstructure and phase stability, which, in turn, alter macroscopic mechanical performances. This thesis seeks to offer an in-depth understanding of the interplay between interstitial atoms (especially H) and RCCAs, focusing on their effects on microstructure, phase stability, and consequent mechanical properties, to advance the design of RCCAs with optimized performance under extreme conditions: (1) Hydrogen Accommodation in TiNbZr RCCA: In-situ synchrotron high-energy X-ray diffraction combined with density functional theory reveal hydrogen-induced lattice expansion (holding at 500 °C) and transformation (body-centered cubic to body-centered tetragonal cubic structure upon cooling) in a TiNbZr RCCA. Hydrogen prefers to accommodate at tetrahedral sites, while the ordered distribution of hydrogen solutes results in the occurrence of tetragonality. (2) Hydrogen-Assisted Spinodal Decomposition: In a TiNbZrHfTa RCCA, hydrogen modulates nanoscale spinodal decomposition, creating chemical fluctuations and enhancing hardness. A thermodynamic model demonstrates the role of hydrogen in destabilizing single-phase structures, enabling novel microstructure tailoring strategies. (3) Boron Effects on Grain Boundary Chemistry: Boron segregation alters grain boundary chemistry in a TiNbZrHfTa RCCA, reducing yield strength and enabling grain boundary shear localization. Enhanced slip transfers upon boron doping highlight the role of segregation engineering in optimizing mechanical performance. (4) Ductilization via Oxygen-Induced Nanoscale Chemical Heterogeneity: The incorporation of oxygen interstitials in a TiNbZr RCCA induces the formation of nanoscale chemical heterogeneity, characterized by Ti concentration fluctuations. The presence of Ti-enriched regions strongly pins dislocation, resulting in an increase in strain-hardening rate and strain rate sensitivity, accompanied by the refinement of deformation bands. These microstructural characteristics collectively contribute to improved ductility while preserving yield strength, offering a promising strategy for overcoming the strength-ductility trade-off in RCCAs. These findings highlight the critical role of interstitial atoms in influencing microstructure and phase stability, ultimately shaping macroscopic mechanical performance, and providing a foundation for designing RCCAs with tailored properties for demanding applications.

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