Influence of sulfur on metallic glass forming Zr-Ti-Ni-Cu alloys

Abstract

This work investigates the influence of sulfur on the key materials properties of a metallic glass-forming Zr-Ti-Ni-Cu alloy. Alloys of varying S-infusion were synthesized and characterized, and a rise in glass forming ability from 0.25 mm to 6 mm was found; the origin of this was explored with in-depth analysis and the alloy was further refined by alloy development. Several advanced characterization methods were employed to investigate the Bulk metallic glasses in depth, from electron microscopy, X-ray diffraction and calorimetry to parabolic flight based viscosity measurements in microgravity and in-situ container less levitation melting. The influence of S on the structure of the alloy’s liquid and solid phases was explored, and significant local atomic arrangement disordering was found for both states. The disordering could be determined by Ornstein-Zernike analysis and direct comparison of the S-free and S-infused alloys’ structure during reduced pair distribution function analysis. Excellent yield strength, ductility in compression and three-point bending testing, as well as a high fracture toughness of 104 MPa√m could be determined for the (Zr50)S3 alloy, making it a formidable Zr-based BMG. The alloy also proves to be astonishingly resilient towards oxygen contamination in terms of both GFA as well as mechanical properties. The potential BMG alloy is discussed in detail against the state of the art, and an outlook on the application is presented.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Schwefel auf die grundlegenden Materialeigenschaften Glas-bildender Zr-Ti-Ni-Cu Legierungen. Verschiedene Gehälter an Schwefel wurden hergestellt und charakterisiert, hierbei wurde ein steiler Anstieg in der Glasbildungsfähigkeit von 0.25 mm auf 6 mm kritischer Dicke der Legierungen festgestellt. Die Hintergründe dieser Beobachtung wurden erforscht und die Legierung wurde durch Legierungsentwicklung optimiert. Der Einsatz fortschrittlicher Methoden erlaubte eine tiefgreifende Untersuchung der erzeugten metallischen Massivgläser wobei unter anderem Elektronenmikroskopie, Röntgenbeugung, Kalorimetrie bis hin zu Parabelflügen und auf hochenergetischer Synchrotron-Strahlung basierende in-situ Experimente eingesetzt wurde. Der Einfluss des Schwefels insbesondere auf die Struktur der Schmelze und des Glases wurde untersucht und eine signifikante Erhöhung der lokalen atomaren Unordnung konnte in beiden Zuständen festgestellt werden. Hier wurde ein Vergleich der Strukturen mit und ohne Schwefel in der Legierung mittels Paar-Verteilung- Funktion-analyse genutzt. Ausgezeichnete Festigkeiten und Duktilität unter Druck- und Biegebeanspruchung, sowie eine hohe Bruch Zähigkeit von 104MPa √ m konnte für die (Zr50)S3 Legierung gemessen werden, was die Legierung zu einem hervorragenden Zr-basierten metallischen Massivglas macht. Des Weiteren zeigte sich die Legierung überaus resilient gegen Sauerstoffverunreinigung.