Impact of sulfur on the structure and dynamics of glass forming metallic melts

Wilden, Johanna Stephany; Kargl, Florian; Roth, Georg

doi:42289

Impact of sulfur on the structure and dynamics of glass forming metallic melts

Wilden, Johanna Stephany^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Johanna Stephany Wilden, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Kargl, Florian (Thesis advisor)^RWTH* ; Roth, Georg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-11-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-04761
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/957391/files/957391.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
bulk metallic glasses (frei) ; electromagnetic levitation (frei) ; electrostatic levitation (frei) ; neutron diffraction (frei) ; quasielastic neutron scattering (frei) ; sulfur (frei) ; synchrotron X-ray diffraction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Erst kürzlich wurde Schwefel als Legierungselement zur Herstellung von massiv-metallischen Gläsern berücksichtigt. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Schwefel sowohl die Glasbildungsfähigkeit als auch den Glasbildungsbereich in unterschiedlichen Legierungen erweitert. In Titan-basierten Legierungen ohne Beryllium ermöglicht die Zugabe von Schwefel die Glasbildung zum ersten Mal. Diese Titan-basierten massiv-metallischen Gläser sind besonders interessant für biomedizinische Anwendungen. Diese Arbeit zielt darauf hin zu verstehen, warum Schwefel die Glasbildungsfähigkeit sowohl in diesen Titan-basierten Legierungen, als auch in Palladium-basierten Legierungen verbessert. Daher wurden die Schmelzeigenschaften in ternären Ti-Ni-S und Pd-Ni-S Schmelzen untersucht. Um diese hochreaktiven Titan-basierten Schmelzen zu prozessieren, wurden Levitationsmethoden eingesetzt, wie elektromagnetische Levitation und elektrostatische Levitation. So wurde der Zusammenhang zwischen der Struktur und der Dynamik in Ti-Ni-S und Pd-Ni-S Schmelzen untersucht. Die Levitationsmethoden wurden anhand von inkohärenter, quasielastischer Neutronenstreuung ergänzt, um die atomare Bewegung in den Schmelzen zu untersuchen. Zudem wurden die Levitationsmethoden anhand von Synchrotron Röntgendiffraktion und Neutronendiffraktion ergänzt, um die atomare Struktur und das Erstarrungsverhalten in den Schmelzen zu untersuchen. Innerhalb des Ti-Ni-S Systems, verfügt die optimale Zusammensetzung mit der besten Glasbildungsfähigkeit über 8 at. % Schwefel. Hierbei wurde festgestellt, dass die Schmelzpackung und die Schmelzdynamik bei der Substitution von Nickel durch Schwefel abnimmt. Somit besteht kein direkter Zusammenhang zwischen der Schmelzpackung und der Schmelzdynamik. Die Abnahme der Packungsdichte deutet auf chemische Wechselwirkungen hin, welche möglicherweise die Glasbildung in Ti-Ni-S Schmelzen begünstigt. Die Schmelzstruktur in binären Ti-Ni Schmelzen zeigt sowohl eine Präferenz heterogene Atompaare zu bilden, als auch eine mittlere Koordinationszahl von ⟨Z⟩ > 12, welche eine komplexere Nahordung als eine ikosaedrische Nahordnung impliziert. Somit setzt sich die Nahordnung in binären Ti-Ni Schmelzen aus topologischen und chemischen Anteilen zusammen. Im Gegensatz zu binären Ti-Ni Schmelzen, weisen ternäre Ti-Ni-S Schmelzen eine Schwefel-reiche Primärphase während der Erstarrung auf, welche die Liquidustemperatur erhöht. Diese Schwefel-reiche Phase wandelt sich durch die Substitution von Nickel durch Schwefel von Ti3S in Ti2S um. Die Mikrostruktur in den abgeschreckten Ti-Ni-S Legierungen zeigt, dass die Ti3S Phase von metastabilen, quasikristallinen Phasen umgeben wird, während die Ti2S von stabilen, kristallinen Phasen umgeben wird. Somit fördert Ti3S die Glasbildung in den abgeschreckten Ti-Ni-S Legierungen, während Ti2S deren Kristallisation fördert. Innerhalb des Pd-Ni-S Systems, verfügt die optimale Zusammensetzung mit der besten Glasbildungsfähigkeit über 26 at. % Schwefel. Hierbei wurde festgestellt, dass die sich Schmelzdynamik kaum mit der Zusammensetzung verändert. Im Vergleich zu Pd-Ni-P Schmelzen, nimmt die Schmelzdynamik durch die Substitution von Phosphor durch Schwefel zu, während die Packungsdichte abnimmt. Somit besteht ein Zusammenhang zwischen der Schmelzpackung und der Schmelzdynamik, wie auch bei Pd-Ni-(Cu)-P. Jedoch, im Gegensatz zu Pd-Ni-(Cu)-P Schmelzen, wurde eine dynamische Entkopplung bereits oberhalb der Liquidustemperatur beobachtet. Vermutlich diffundieren die kleinen Nickel und Schwefel Atome durch eine unbewegliche Palladium-Matrix. Im Allgemeinen, deuten diese Beobachtungen auf unterschiedliche Mechanismen hin, die für die Glasbildung in Ti-Ni-S und Pd-Ni-S verantwortlich sind.

Just recently Sulfur was considered as alloying element for bulk metallic glass production. It was found that the Sulfur addition extends the glass forming ability as well as the glass forming region in various alloys. In Titanium-based alloys without Beryllium, Sulfur addition allows the glass formation for the first time. These Titanium-based bulk metallic glasses are particular interesting for biomedical applications. This work aims to understand, why Sulfur improves the glass forming ability in these Titanium-based alloys as well as in Palladium-based alloys. Thus, the melt properties in ternary Pd-Ni-S and Ti-Ni-S melts were examined. In order to process these highly reactive Titanium-based melts, levitation methods were utilized, as electromagnetic levitation and electrostatic levitation. Thus, the structure-dynamics relation in Ti-Ni-S and Pd-Ni-S melts was examined. The levitation methods were supplemented by incoherent, quasielastic neutron scattering in order to examine the atomic motion in the melts. Furthermore, the levitation methods were supplemented by synchrotron X-ray diffraction and neutron diffraction in order to examine the atomic structure and the solidification behavior in the melts.Within the Ti-Ni-S system, the optimized composition with the best glass forming ability contains 8 at. % Sulfur. Here, it was found that the melt packing and the melt dynamics decreases upon Nickel substitution by Sulfur. Thus, there is no direct correlation between the melt packing and the melt dynamics. The decrease in packing fraction indicates chemical interactions, which may promote the glass formation in Ti-Ni-S melts. The melt structure in Ti-Ni melts reveals a preference to form heterogeneous atomic pairs, as well as a mean coordination number ⟨Z⟩ > 12, which implies a more complex short-range order than an icosahedral short-range order. Thus, the short-range order in Ti-Ni melts is composed of topological and chemical contributions. In contrast to binary Ti-Ni melts, ternary Ti-Ni-S melts reveal a primary Sulfur-rich phase upon solidification, which increases the liquidus temperature. This Sulfur-rich phase changes from Ti3S to Ti2S upon Nickel substitution by Sulfur. The microstructure in the quenched Ti-Ni-S alloys shows that the Ti3S phase is surround by metastable, quasicrystalline phases, while the Ti2S phase is surround by stable, crystalline phases. Thus, Ti3S promotes the glass formation in the quenched Ti-Ni-S alloys, while Ti2S promotes their crystallization. Within the Pd-Ni-S system, the optimized composition with the best glass forming ability contains 26 at. % Sulfur. Here, it was found that the melt dynamics barely change with composition. In comparison to Pd-Ni-P melts, the melt dynamics increase upon Phosphorous substitution by Sulfur, whereas the packing fraction decreases. Thus, similar to Pd-Ni-(Cu)-P melts, there is a direct correlation between the melt packing and the melt dynamics. However, in contrast to Pd-Ni-(Cu)-P melts, a dynamic decoupling was already observed above the liquidus temperature. Possibly, the small Nickel and Sulfur atoms diffuse through an immobile Palladium-matrix. Overall, these observations indicate different mechanisms responsible for the glass formation in Ti-Ni-S and Pd-Ni-S melts.

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