Phase diagram investigations in the ternary systems Al-Co-Si and Al-Si-V

Beatrix Betina Huber

doi:10.25365/thesis.12748

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1271527

Title (eng)

Phase diagram investigations in the ternary systems Al-Co-Si and Al-Si-V

Author

Beatrix Betina Huber

Advisor

Klaus Richter

Assessor

Jan Vrestál

Julius Schuster

Abstract (deu)

Die hier vorliegende Arbeit wurde im Laufe eines größeren Forschungsprojektes durchgeführt. Ziel dieses Projektes war die Untersuchung von Phasengleichgewichten von ternären Legierungssystemen der 3d-Übergangsmetalle mit Aluminium und Silizium. Als Beitrag zu diesem Projekt wurden die Phasendiagramme der ternären Systeme Al-Co-Si und Al-Si-V untersucht. Über das ternäre Al-Co-Si-System waren in der Literatur bereits isotherme Schnitte bei 600, 800 und 900 °C beschrieben. Sieben ternäre Phasen im aluminiumreichen Teil des Phasendiagrammes sind bekannt. Thermische Analyse wurde in dem System bislang noch nicht durchgeführt, weshalb es keine Informationen über das Schmelzverhalten der ternären Verbindungen gab. Um das gesamte ternäre Phasendiagram aufklären zu können, wurden im Zuge dieser Arbeit zwei isotherme Schnitte im kobaltreichen Teil bei 1050 und 1200 °C untersucht. Basierend auf DTA-Messungen von Proben, die den gesamten Bereich abdecken wurden 14 vertikale Schnitte bei 5, 15, 22, 24, 25, 26, 28, 30, 35, 40, 50, 60, 66,7 und 75 at.% Co konstruiert. Diese Untersuchungen führten zur Liquidusoberfläche und zu einem Reaktionsschema (Scheil-Diagram) des gesamten ternären Systems. Laut unserer Messungen schmelzen die ternären Verbindungen alpha, gamma, delta, epsilon, phi und chi peritektisch, die Phase beta schmilzt hingegen kongruent. Zusätzliche wurden Diffusions-Paare im Al-Co-Si-System untersucht. Die beiden Diffusions-Paare AlCo/Si und AlCo/Co2Si, welche bei 900 beziehungsweise 1050 °C zur Reaktion gebracht wurden, stimmen mit den entsprechenden Isothermen ausgezeichnet überein und die Diffusionswege konnten ermittelt werden. Bei den beiden Diffusions-Paaren Al/CoSi2 und Al/CoSi, die bei 550 °C getempert wurden, wurde der Kontakt über eine fest-flüssig Zwischenschicht gebildet, weshalb die Interpretation nicht so klar wie bei den klassischen Diffusions-Paaren. Dennoch werden auch hier Diffusions-Wege vorgeschlagen. Literaturdaten über das ternäre Al-Si-V-System waren rar und bezogen sich hauptsächlich auf den aluminiumreichen Teil. Daneben war ein isothermer Schnitte bei 1000 °C bekannt. Im Zuge dieser Arbeit wurden im Al-Si-V-System isotherme Schnitte bei 500und 620 °C im aluminiumreichen Teil und bei 850 und 1300 °C im vanadiumreicheren Teil untersucht. Die ternäre Verbindung tau wurde entdeckt, deren Zusammensetzung als Al0.6Si1.4V bestimmt wurde. Das Pulverdiffraktogramm der Phase wurde indiziert und führte zu einer orthorhombischen Zelle des TiSi2-Typs (Fddd, oF24) mit den Zellparametern a = 8,0856(1) Å, b = 4,6921(1) Å und c = 8,4954(1) Å. Dieses Ergebnis wurde mit Einkristalldiffraktometrie bestätigt. Es wurde festgestellt, dass sich tau peritektisch bei 1400 °C zersetzt. Im Al-Si-V-System wurden 4 Isoplethen bei 10, 20, 35 und 50 at.% V mittels DTA-Analyse gemessen. Zusätzlich wurden Proben direkt nach dem Lichtbogenschmelzen bezüglich Primärkristallisation untersucht. Durch die Kombination aller Ergebnisse wurden eine Liquidusoberfläche und ein Reaktionsschema (Scheil-Diagram) für das gesamte ternäre Al-Si-V-System entwickelt. Um binäre Literaturdaten zu überprüfen, wurden im Laufe dieser Arbeit neben ternären Legierungen auch binäre Proben untersucht. Im Zuge dessen wurde im binären Al-V-System die neue Phase AlV bei niedrigeren Temperaturen entdeckt. Durch Glühversuche zwischen 450 und 560 °C mit und ohne Kristallisationsmittel wurde versucht, die Phase rein herzustellen, um Pulverdiffraktometrie oder Einkristallmessungen durchführen zu können. Bisher waren diese Versuche jedoch vergeblich und wir nehmen an, dass es sich um eine metastabile Phase handelt. Vermutlich könnten TEM-Messungen weitere Informationen über die Kristallstruktur dieser binären Phase bringen.

Abstract (eng)

The thesis presented here was performed in the course of a larger research project with the aim to clarify the phase equilibria of ternary systems of the 3d transition metals with aluminum and silicon. As a contribution to this project phase diagram investigations were carried out for the two ternary systems Al-Co-Si and Al-Si-V. The ternary Al-Co-Si system was described quite well in literature concerning isothermal sections at 600, 800 and 900 °C. Seven ternary compounds have been found to exist in the Al-rich part. So far the system was not investigated by thermal analysis and no information on the melting behaviour of the ternary phases were available. Based on existing literature data and with the aim to describe the entire ternary Al-Co-Si system, two isothermal sections in the Co-rich part of the phase diagram at 1050 and 1200 °C were investigated. By means of DTA-measurements of samples covering the whole system, 14 vertical sections at 5, 15, 22, 24, 25, 26, 28, 30, 35, 40, 50, 60, 66.7, and 75 at.% Co were constructed. These investigations yielded a liquidus surface projection and a reaction scheme (Scheil diagram) of the complete ternary system. We found the ternary compounds alpha, gamma, delta, epsilon, phi and chi to melt peritectically whereas the phase beta melts congruently. Additionally, diffusion couple investigations were performed in the system. The two couples AlCo/Si and AlCo/Co2Si annealed at 900 and 1050 °C, respectively are in excellent agreement with the isothermal sections at the respective temperatures and the diffusion paths were developed. Contact formation in the couples Al/CoSi2 and Al/CoSi at 550 °C were done by a liquid-solid interface and the interpretation of the results are therefore not straight forward. Nevertheless, diffusion paths also in these couples could be proposed. Literature in the Al-Si-V system was scarce and referred mainly to the very Al-rich part. Besides, an isothermal section at 1000 °C in the V-rich part was given. In course of the present study the ternary system was investigated in isothermal sections at 500 and 620 °C in the Al-rich part, and at 850 and 1300 °C in the V-richer part. The ternary compound tau was discovered and its chemical composition was measured to be Al0.6Si1.4V. The powder pattern of this sample was successfully indexed and yielded an orthorhombic TiSi2-type cell (Fddd, oF24) with the cell parameters a = 8.0856(1) Å, b = 4.6921(1) Å and c = 8.4954(1) Å. These results could be confirmed by single crystal XRD. By means of thermal analysis the ternary compound was measured to melt peritectically at 1400 °C. The ternary system was investigated in four vertical sections at 10, 20, 35 and 50 at.% V by DTA measurements. To get detailed information about the position of the liquidus valleys several as cast samples were investigated concerning primary crystallization. A combination of all data yielded a liquidus surface projection and a reaction scheme of the entire Al-Si-V system. In this work, beside ternary alloys, binary samples were prepared and investigated to check literature data of the binary limiting systems, and in the course of this study we discovered a new binary AlV compound at lower temperatures. By means of annealing experiments between 450 and 560 °C with and without crystallization aid several attempts to produce the phase pure for indexing the powder XRD or to gain single crystals for single crystal measurements were done. But until now these efforts failed and we consider the phase to be metastable. Maybe small area electron diffraction (SAED) in TEM measurement could provide further information on the crystal structure of this binary phase.

Keywords (eng)

ternary phase diagramsAl-Co-SiAl-Si-V

Keywords (deu)

Ternäre Phasen DiagrammeAl-Co-SiAl-Si-V

Subject (deu)

Festkörperchemie

Subject (deu)

Anorganische Chemie: Allgemeines

Type (deu)

Dissertation

Persistent identifier

https://phaidra.univie.ac.at/o:1271527