High energy x-ray study of short range order and phase transformations in titanium-vanadium

Abstract

This work presents a study of configurational correlations and phase transformations in the binary alloy Ti-V, using high-energy x-ray diffraction. The experiments have been performed at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble. The high-energy (60-100 keV) technique developed recently allows in-situ measurements on bulk material in transmission geometry.

The first part of the thesis discusses multiple scattering effects which might occur with this method. These effects are experimentally verified and discussed. Special emphasis is put on the questions, whether they affect the results obtained with this method, and how they can be avoided.

Understanding alloys on the most fundamental level requires knowledge about the atomic interaction potentials. Competing with entropy, these potentials determine the configurational short range order in a disordered alloy, which generates together with static and dynamic distortions the diffuse scattering. The thesis presents measurements and calculations of the diffuse scattering patterns of Ti-V. The calculations, taking into account configurational correlations, static distortions induced by atomic size mismatch and thermal diffuse scattering, agree with the experimental data.

Structural transformations in Ti-V are carefully characterized using high-energy x-ray diffraction in combination with the complementary transmission electron microscopy (TEM). While the first technique allows to study the phenomena in-situ and time-resolved, TEM yields real space images and chemical information about the phases. Ti-V near the equiatomic composition is a beta-Ti-alloy. The body centered cubic beta phase is retained at room temperature by fast quenching. Aging the material below the phase transformation temperature, however, leads to the precipitation of hexagonal alpha titanium. Another transformation process confusing earlier works is identified as TiC formation from carbon impurities in the material. In addition, this work resolves the long-standing question of transient ordering in Ti-V. It could be shown that the superstructure reflections measured by other authors are originating from the alpha-Ti particles, not from the matrix. Transient ordering, which was proposed by theory for this system, was not observed.

Diese Arbeit untersucht kurzreichweitige Korrelationen und strukturelle Phasenübergänge in der binären Legierung Ti-V. Die Experimente wurden an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle (ESRF) in Grenoble durchgeführt. Dabei kam eine kürzlich entwickelte Hochenergie-Röntgenstreumethode (60-100keV) zum Einsatz, die es erlaubt, millimeterdicke Legierungskristalle in Transmissionsgeometrie zu untersuchen.

Der erste Teil der Arbeit diskutiert Mehrfachstreueffekte, die bei dieser Methode auftreten können. Neben der experimentellen Charakterisierung wird insbesondere diskutiert, ob diese Effekte die experimentellen Ergebnisse beeinträchtigen können, und wie man sie verhindern kann.

Das grundlegende Verständnis von Legierungen erfordert die Kenntnis der atomaren Wechselwirkungspotentiale. In Konkurrenz mit der entropiegetriebenen Unordnungs-Tendenz des Systems verursachen diese Potentiale auch bei hohen Temperaturen kurzreichweitige Korrelationen. Diese führen, wie auch Gitterverzerrungen und Phononen, zu der sogenannten Diffusen Streuung. Die hier gezeigten Messungen der Diffusen Streuung stimmen mit ebenfalls durchgeführten analytischen Rechnungen überein, die sowohl statische, als auch dynamische Gitterverzerrungen berücksichtigen.

Mit der gleichen experimentellen Methode werden auch strukturelle Phasenumwandlungen in Ti-V untersucht. Komplementäre Informationen, die mittels der Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) gewonnen werden, erlauben eine umfassende Charakterisierung der entsprechenden Prozesse. Während die Röntgenbeugung zeitaufgelöste in-situ Messungen erlaubt, liefert TEM leichter zu interpretierende Realraumbilder und chemische Analysen der einzelnen Phasen. Ti-V ist eine Titan-Betalegierung, das heisst, die bei hohen Temperaturen stabile kubisch-raumzentrierte Phase kann durch schnelles Abkühlen bei Raumtemperatur beibehalten werden. Bei höheren Temperaturen unterhalb der Phasengrenze kommt es jedoch zur Ausscheidung von hexagonalen alpha-Ti-Partikeln (Ausscheidungs-Härtung). Dieser Vorgang wurde zeitaufgelöst beobachtet. Darüber hinaus konnten strukturelle Phänomene, die in früheren Arbeiten missinterpretiert wurden, aufgeklärt werden. So stellten sich weitere Ausscheidungen als aus Verunreinigungen gebildetes TiC heraus. Es konnte auch gezeigt werden, dass die von theoretischen Arbeiten vorhergesagte Transiente Ordnung in diesem System nicht auftritt. Die ebenfalls in der Literatur berichteten Überstruktur-Reflexe wurden zwar beobachtet, stammen jedoch von einer zusätzlichen Phase, die sich innerhalb der alpha-Partikel bildet.