Development, characterization and processing of a novel family of bulk metallic glasses : sulfur-containing bulk metallic glasses

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Familie von metallischen Massivgläsern (MMG) entdeckt, die Schwefel als elementaren Legierungsbestandteil aufweisen. Bis heute wurde Schwefel nicht als Komponente in metallischen Gläsern in Erwägung gezogen, aber in dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Bildung von MMGs in einem breiten Legierungssprektrum möglich ist. Es stellt sich die Frage, auf welche Weise Schwefel die metastabile unterkühlte Schmelze stabilisiert und so die Bildung von MMGs ermöglicht wird. Daher wird untersucht, welche Rolle der Schwefel bei dem Prozess der Glasbildung einnimmt, welcher von thermodynamischen und kinetischen Beiträgen bestimmt wird. Insbesondere die neuen Ti-Legierungen sind neben ihrem wissenschaftlichen, auch von großem technischen Interesse. Die hohen Ti-Gehalte resultieren in herausragende mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften und der Strukturzustand des Glases ermöglicht eine einzigartige Verarbeitbarkeit. Für die Verarbeitung im industriellen Maßstab wurde ein maßgeschneidertes Druckgussverfahren für das Urformen von metallischen Massivgläsern entwickelt. Experimente mit hochenergetischer Röntgenstrahlung werden genutzt, um Beziehungen zwischen den thermo-physikalischen Eigenschaften, dem mechanischen Verhalten und der atomaren Struktur zu untersuchen. Es wurden Hinweise für einen Zusammenhang zwischen der Struktur des Glases und der dazugehörigen kristallinen Phasen entdeckt und neue Struktur-Eigenschafts-Beziehungen angeführt. Diese Ergebnisse ermöglichen einen tiefen Einblick in den Prozess der Glasbildung in diesen Systemen.

In this work, a new family of bulk metallic glasses (BMGs), containing sulfur as major constituent, has been discovered. Before, sulfur has not been considered for the development of metallic glass forming compositions, but this work reveals that sulfur-containing BMGs can be produced in a vast compositional space. The question arises, why sulfur stabilizes the metastable undercooled liquid, allowing the formation of bulk glassy samples in these systems. Therefore, the role of sulfur for the process of glass formation is elucidated, which is governed by thermodynamic and kinetic contributions. Besides their scientific interest, in particular, new Ti-based alloys are interesting candidates for industrial use. The high Ti-contents result in favorable mechanical and electrochemical properties and the glassy structure enables an unique process-ability. For an industrial-scale processing, a novel die-casting machine is designed, which is customized for the processing of BMGs. High energy synchrotron X-ray diffraction experiments on the new alloys were performed and lead to a deeper insight in the relationship between the thermo-physical properties, mechanical behavior and the atomic structure. Indications for structural similarities between the glass and the corresponding crystalline mixture have been found and new structure-property-relations are proposed. All in all, these results will lead to a comprehensive understanding of the process of glass formation in these systems.