Lokale Variationen in der Struktur von Hochentropie-Legierungen

HZB-Studie liefert Einblicke in Materialien der Legierung auf atomarer Ebene

Die Auswertung der EXAFS-Daten zeigte, dass die Glühtemperatur der Cantor-Legierung sich auf lokale Umgebungen der Elemente auswirkt. Dies deutet auf unterschiedliche Ordnungs- und Diffusionsprozesse hin. Mangan diffundiert am schnellsten im Hochtemperaturzustand, Nickel im Niedrigtemperaturzustand. Bild: HZB

Hochentropie-Legierungen halten extremer Hitze und Belastung stand und eignen sich daher für eine Vielzahl spezifischer Anwendungen. Einblicke in Ordnungsprozesse und Diffusionsphänomene in diesen Materialien hat nun eine neue Studie an der Röntgenquelle BESSY II geliefert.

Das Team analysierte Proben einer sogenannten Cantor-Legierung, die aus fünf 3d-Elementen besteht: Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel. Die kristallinen Proben (kubisch-flächenzentriert, fcc) wurden bei zwei verschiedenen Temperaturen geglüht, entweder bei 1373 Kelvin (Hochtemperaturzustand, HT) oder bei 993 Kelvin (Tieftemperaturzustand, LT) und dann schockgefroren.

Um die lokalen Umgebungen der einzelnen Elemente in den Proben zu analysieren, nutzte das Team eine gut etablierte Methode der Röntgenabsorptionsspektroskopie, die elementspezifisch ist (EXAFS). Mit einer Reverse Monte Carlo (RMC) Analyse gelang es, die Messdaten möglichst präzise und unvoreingenommen zu interpretieren.

„Auf diese Weise konnten wir sowohl qualitativ als auch quantitativ die Besonderheiten der Element-Umgebungen auf atomarer Ebene aufklären“, erklärt Dr. Alevtina Smekhova vom HZB. Die spektroskopischen Ergebnisse geben auch Aufschluss über die Diffusionsprozesse in der Hochentropie-Legierung. So wurde direkt nachgewiesen, warum das Element Mangan in den HT-Proben am schnellsten diffundiert, während das Element Nickel in den LT-Proben schneller diffundiert, wie es auch aus früheren Diffusionsexperimenten bekannt war. „Diese Ergebnisse sind sehr wertvoll, um die Beziehung zwischen der lokalen atomaren Umgebung und den makroskopischen Eigenschaften in diesen Legierungen besser zu verstehen“, sagt Smekhova.

An der Studie waren Teams des HZB, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, der Universität Lettland und der Universität Münster beteiligt.

Originalpublikation:

Nano Research (2023): Anomalies in the short-range local environment and atomic diffusion in single crystalline equiatomic CrMnFeCoNi high-entropy alloy.
A. Smekhova, D. Gaertner, A. Kuzmin, A. Guilherme Buzanich, G. Schuck, I. Zizak, G. Wilde, K. V. Yusenko, S. Divinski
DOI: 10.1007/s12274-024-6443-6

Kontakt:

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
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Dr. Alevtina Smekhova
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Dr. Antonia Rötger
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Pressemitteilung HZB vom 29.01.2024