On the liquid dynamics, transition kinetics, and additive manufacturing of bulk metallic glass formers

Abstract

The present cumulative PhD thesis incorporates six first author publications as well as additional results and discussions that focus on the material class of bulk metallic glasses. The first three publications investigate the dynamics of deeply supercooled metallic glass forming liquids as well as their crystallization and vitrification behavior. This includes the question of how to determine the fragility of metallic glass formers and how to model and combine respective data stemming from various experimental approaches. Furthermore, the close connection between liquid fragility and crystallization is demonstrated by determining and modelling a complete TTT diagram. Finally, first of its kind XPCS studies under temperature scanning conditions allow to firstly reveal and model the complex rivalry between two different types of atomic dynamics that arises with vitrification. The last three publications focus on the rather industry-related topic of additive manufacturing of metallic glasses via laser powder bed fusion. In this context, three different alloy families are investigated and evaluated for the additive manufacturing process. The resulting specimens can reach outstanding strengths of up to 2.5 GPa and high hardness values of almost 900 HV1. Furthermore, potential application cases for additively formed metallic glasses and a post-processing route in form of thermoplastic forming are presented and discussed.

Die vorliegende kumulative Dissertationsschrift umfasst sechs Erstautor-Publikationen welche sich, in Kombination mit zusätzlichen Ergebnissen und Diskussionen, dem Thema der metallischen Massivgläser widmen. Die ersten drei Publikationen widmen sich dabei der Untersuchung der Dynamik, des Kristallisations- und des Vitrifizierungsverhaltens stark unterkühlter metallischer Glasformer. Im Kontext der Fragilität wird hierbei den Fragestellungen der Messung, Modellierung und Vergleichbarkeit unterschiedlicher Datensätze nachgegangen. Weiterhin wird die enge Verknüpfung zwischen Fragilität und Kristallisationsverhalten exemplarisch anhand einer experimentellen Bestimmung und Modellierung eines TTT-Diagramms aufgezeigt. Neuartige XPCS-Messungen unter kontinuierlicher Temperaturänderung mit konstanter Rate erlauben erstmalig die mit dem Glasübergang einhergehende Rivalität zweier grundlegend unterschiedlichen Arten atomarer Dynamik offenzulegen und mathematisch zu beschreiben. Die drei letzten Publikationen befassen sich mit der additiven Fertigung metallischer Gläser mittels des Pulverbett-basierten Laserstahl-Schmelzens. Dabei werden drei Legierungsfamilien hinsichtlich ihrer Prozesseignung untersucht. Die erzeugten Proben erreichen außergewöhnliche Festigkeiten von bis zu 2,5 GPa und hohe Härten von nahezu 900 HV1. Weiterhin werden mögliche Anwendungen additiv gefertigter metallischer Gläser sowie ein Nachbearbeitungskonzept auf Basis des thermoplastischen Formens präsentiert.