Screening and characterization of potential light-metal high entropy alloys by magnetron sputtering

Abstract

Die Entwicklung und Erforschung neuartiger Legierungssysteme ist einer der Grundbausteine für den technischen Fortschritt. Insbesondere Multi-Principal Element Legierungen (MPEAs) oder Hochentropie-Legierungen (HEAs), in welchen mehrere Komponenten in signifikanten Anteilen (> 5 at%) in einem System kombiniert werden, haben sich zu einem zukunftsweisenden Zweig der Metallurgie entwickelt.Das Ziel dieser Arbeit war die experimentelle Herstellung von Legierungsbibliotheken aus Mehrkomponenten-Leichtmetallsystemen. Bis zu 5 verschiedene Elemente, darunter Mg, Al, Si, Ti, Cr, Cu und Zn, wurden in unterschiedlichen Zusammensetzungen einem Substrat durch Magnetronsputtern kombiniert. Zu diesem Zweck wurde ein Sputtersystem gebaut, das Abscheidungen aus mehreren Quellen ermöglichte. Die Schichten wurden getempert und anschließend mit gängigen Analysemethoden (REM, EDX, AFM, XRD, FIB, TEM, Vickers Härtemessungen) charakterisiert.Es wurden Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung verschiedener Elemente und den mechanischen Eigenschaften oder der kristallografischen Ordnung aufgezeigt. Mehrere Bereiche mit überwiegend einphasigen Strukturen konnten identifiziert werden, die von komplexen intermetallischen Prototypen und einfachen Metallgittern dominiert werden. Insbesondere wurde die FCC-Struktur der terminalen Festkörperlösung von Cu bis zu ~35 at% der Legierungselemente Al-Mg-Zn beibehalten. Dies entspricht je nach angewandter Definition einer Hochentropie- oder Medium-Entropielegierung mit einer mittleren Dichte von ~6,5 g/cm3.Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen dienten als Grundlage für hoch entwickelte Simulationen mittels Cluster-Expansion und Dichtefunktionaltheorie, die in Zusammenarbeit mit der TU Hamburg entwickelt wurden. Ausgewählte Zusammensetzungen wurden mit diesen Methoden nachgerechnet. Hierbei wurden die experimentell gefundenen Kristallstrukturen als Inputgröße verwendet und auf ihre energetische Günstigkeit getestet.

The development and research of novel alloy systems are one of the basic building blocks for technological progress. In particular multi-principal element alloys (MPEAs) or high entropy alloys (HEAs), in which multiple components in significant proportions (> 5 at%) are combined in a single system, has evolved into a cutting-edge branch of metallurgy.The aim of this thesis was the experimental production of alloy libraries of multicomponent light metal systems. Up to 5 different elements including Mg, Al, Si, Ti, Cr, Cu and Zn in different compositions were combined on a substrate using magnetron sputtering. In order to do this, a sputtering system was built that allows depositions from multiple sources. The layers were post-annealed and subsequently characterized by common analysis methods (SEM, EDX, AFM, XRD, FIB, TEM, Vickers hardness measurements).Correlations between the composition of various elements and mechanical properties or crystallographic order were shown. Several domains with primarily single-phase structures dominated by complex intermetallic prototypes and simple metallic lattices were found. In particular, the FCC structure of the terminal solid solution of Cu was maintained up to ~35 at% of the alloying elements Al-Mg-Zn. This corresponds to a high entropy or medium entropy alloy with an average density of ~6.5 g/cm3, depending on the definition applied. The results from the experimental investigations served as the basis for sophisticated simulations using cluster expansion and density functional theory, which were developed in collaboration with the TU Hamburg. Selected compositions were recalculated using these methods. The experimentally identified crystal structures were used as input variables and tested for their energetic favourability.