Mechanische Eigenschaften von Laves Phasen in Abhängigkeit von Kristallstruktur und Zusammensetzung am Beispiel der Systeme Fe-Nb(-Al) und Co-Nb

In der Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften der Laves Phasen NbFe2 (hexagonal C14), Nb(Fe,Al)2 (hexagonal C14) und NbCo2 (hexagonal C14, kubisch C15 und hexagonal C36) in Abhängigkeit von Zusammensetzung und Kristallstruktur untersucht.

Bei der Materialsynthese wurden gravierende Unterschiede zwischen dem in der Literatur angegebenen Phasendiagramm Fe-Nb und den ermittelten Probenzusammensetzungen gefunden. Eine experimentelle Neubestimmung des Phasendiagramms mit dem Fokus auf den Stabilitätsbereichen der intermetallischen Phasen ergab eine vollständige Beschreibung des Einphasengebiets der Laves Phase NbFe2 und eine konsistente Beschreibung des gesamten restlichen Phasendiagramms. Die maximale Breite des Homogenitätsbereichs der Laves Phase ist wesentlich größer als in der aktuellen Literatur angegeben.

Die Herstellung einphasigen Probenmaterials von Laves Phasen ist durch klassische Schmelzmetallurgie nicht möglich. Unter Verwendung der Methode des Schwebeschmelzens konnten an einer Kalttiegelanlage bis zu 350 g an Material erschmolzen und durch eine geregelte Abgussmethode als kompaktes, nahezu rissfreies Probenmaterial gewonnen werden. Das Ergebnis waren in dieser Größe und Qualität erstmals hergestellte Zylinder mit 15 mm Durchmesser und einer Länge von 100-180 mm.

Bei der Untersuchung des Einflusses der Nb-Konzentration auf die mechanischen Eigenschaften der Laves Phasen NbFe2 (C14) und NbCo2 (C15) zeigte sich, dass der Einfluss der Zusammensetzung auf die Vickershärte im Messfehler der sehr harten Laves Phasen untergeht. Für eine aussagekräftige Beschreibung des Einflusses der Nb-Konzentration muss auf Stauchversuche bei erhöhtne Temperaturen zurückgegriffen werden, die mit dem gewonnen Material in einer großen Anzahl möglich waren. Hierbei zeigt sich für beide binären Laves Phasen eine deutliche Zunahme der Festigkeit mit steigender Nb-Konzentration, wobei gegensätzlich zu Literaturangaben weder ein Maximum noch ein Minimum bei stöchiometrischer Zusammensetzung beobachtet werden kann. NbFe2 zeigt auch für die Kriechbeständigkeit einen kontinuierlichen Anstieg mit steigendem Nb-Gehalt und bestätigt den aus den Stauchversuchen ermittelten Trend.

Für die hexagonale Laves Phase NbFe2 mit C14-Struktur wurde der Verformungsmechanismus durch Analysen am TEM an Proben unterschiedlicher Zusammensetzung im Grundzustand und nach Verformung bei verschiedenen Temperaturen untersucht. Die plastische Verformung von NbFe2 wird fast ausschließlich durch hexagonale Basisgleitung getragen, wobei die Versetzungen in der Regel als Shockley-Partialversetzungen vorliegen. Aus der Versetzungsanalyse an einer Nb-reichen Probe und aus einer qualitativen Bewertung der TEM- Aufnahmen bei Nb-reicher wie -armer Zusammensetzung zeigt sich keine wesentliche Änderung des Verformungsmechanismus in Abhängigkeit vom Nb- Gehalt der Laves Phase NbFe2.

Der Einfluss von Al auf die mechanischen Eigenschaften wurde am Beispiel von Nb(Fe,Al)2 bis zu Al-Gehalten von 40 At.% untersucht. Neben der wesentlichen Reduzierung der Dichte von 8,5 g/cm³ auf nur noch 6,5 g/cm³ bei 38,6 At.% Al beeinflusst die Zugabe von Al die mechanischen Eigenschaften von NbFe2 nur unwesentlich.

Der Einfluss der Kristallstruktur wurde vor allem durch den Vergleich zwischen NbFe2 (C14) und NbCo2 (C15) untersucht. Dabei kann in den Spannungs-Dehnungs- Diagrammen von NbCo2 mit C15-Struktur eine Verfestigung beobachtet werden, während diese in NbFe2 mit C14-Struktur ausbleibt. Daraus kann eine höhere Versetzungsmobilität für C15 angenommen werden, was auf Grund der Ähnlichkeit der Gleitsysteme zu kubisch flächenzentrierten Kristallen nahe liegt. Dennoch ist die homologe spröd-duktil Übergangstemperatur mit 0,65-0,7·TM für beide Phasen gleich und zeigt, dass erst eine von der Struktur unabhängige Aktivierung der Versetzungsbewegung erfolgen muss ehe der mögliche Vorteil einer besseren Verformbarkeit in C15 zum Tragen kommt.