Thermophysical and structural investigations of a CuTi- and a Zr-based bulk metallic glass, the influence of minor additions, and the relation to thermoplastic forming

Abstract

Bulk metallic glasses (BMGs) surpass the strength of steels and at the same time possess the elasticity and formability of thermoplastic polymers. These favorable properties make them interesting candidates for industrial applications. In this work, the thermophysical properties and the structure of the CuTi-based BMG Vit101 (Cu47Ti34Zr11Ni8) and the Zr-based BMG Vit105 (Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5) are investigated. Special focus lies on the influence of minor additions of sulfur and phosphorus, as they increase the thermal stability of the alloys in the supercooled liquid region. The thermodynamic functions of the alloys are determined, and viscosity and kinetic fragility are measured around the glass transition and in the stable liquid. In-situ synchrotron X-ray scattering experiments are performed, elucidating the crystallization sequence upon heating and cooling. Minor additions retard the formation of the primary crystalline phase upon heating. Based on the diffraction data, the temperature evolution of structural differences between the alloys is discussed. Thermoplastic forming experiments on a variety of BMGs are performed and the deformation is discussed with respect to their thermophysical properties, leading to a description of the thermoplastic formability and the ideal processing region. These findings are transferred to thermoplastic consolidation experiments on amorphous powder, evaluating this technique for additive manufacturing. Finally, thermoplastic deformation experiments are conducted on the CuTi- and Zr-based alloys with minor additions. Minor additions can be used to significantly improve the thermoplastic formability and hence ease the industrial processability.

Metallische Massivgläser (MMG) übertreffen Stähle in ihrer Festigkeit und besitzen gleichzeitig die Elastizität und Formbarkeit von thermoplastischen Polymeren. Diese vorteilhaften Eigenschaften machen sie für industrielle Anwendungen interessant. In dieser Arbeit werden die thermophysikalischen Eigenschaften und die Struktur des CuTi-basierten MMG Vit101 (Cu47Ti34Zr11Ni8) und des Zr-basierten MMG Vit105 (Zr52.5Cu17.9Ni14.6 Al10Ti5) untersucht. Der Fokus liegt dabei auf dem Einfluss von geringen Schwefel- und Phosphorzusätzen, da diese die thermische Stabilität der Legierungen in der unterkühlten Schmelze erhöhen. Die thermodynamischen Funktionen der Legierungen werden bestimmt und Viskosität und kinetische Fragilität werden um den Glasübergang und in der stabilen Flüssigkeit gemessen. In-situ Synchrotron Röntgenstreuexperimente werden durchgeführt, um die Kristallisationssequenz beim Erhitzen und Abkühlen aufzuklären. Schwefel- und Phosphorzusätze verzögern die Bildung der primären kristallinen Phase beim Erhitzen. Basierend auf den Beugungsdaten wird auch die Temperaturentwicklung von Strukturunterschieden zwischen den Legierungen diskutiert. Thermoplastische Umformversuche an verschiedenen MMG werden durchgeführt und die Verformung in Bezug auf die thermophysikalischen Kennwerte der Legierungen diskutiert, was zu einer Beschreibung der thermoplastischen Umformbarkeit und des idealen Verarbeitungsbereichs führt. Diese Erkenntnisse fließen in Konsolidierungsexperimente an amorphem Pulver ein und erlauben eine Bewertung dieser additiven Fertigungstechnik. Schließlich werden an den Legierungen auf CuTi- und Zr-Basis mit Schwefel- und Phosphorzusätzen thermoplastische Verformungsexperimente durchgeführt. Diese Zusätze können verwendet werden, um die thermoplastische Formbarkeit signifikant zu verbessern und damit die industrielle Verarbeitbarkeit zu erleichtern.