Im Rahmen der geplanten Umrüstung des FRMII auf einen Kernbrennstoff mit niedrigerem Anreicherungsgrad ist die metallographische Präparation der Legierung Uran-Molybdän
für verschiedene materialwissenschaftliche Untersuchungen von großer Bedeutung. Uran-Molybdän hat sich schon in der Vergangenheit als ein erfolgversprechender Kandidat für
die Umrüstung von Forschungsreaktoren etabliert. Nur durch weitere Analysen kann überprüft werden, inwiefern diese Legierung auch als zukünftiger hochdichter Kernbrennstoff
des FRM II geeignet ist. In Bezug auf die metallurgische Untersuchung der Gefügestruktur ist die korrekte Präparation von Uran-Molybdän ein zentrales Element. Informationen
über eine geeignete Vorgehensweise bei der metallographischen Präparation dieser Legierung
sind in der entsprechenden Fachliteratur bisher kaum vorhanden.
Aus diesem Grund erfolgen im Rahmen dieser Arbeit systematische Untersuchungen, wobei für jeden Präparationsschritt ein entsprechendes Verfahren entwickelt und optimiert wird. Verschiedene Festkörperphasen besitzen unterschiedliche mechanische und chemische Eigenschaften,
sodass für alle relevanten Phasenzusammensetzungen von Uran-Molybdän und zusätzlich für reines, metallisches alpha-Uran geeignete Präparationsverfahren entwickelt werden. Durch den Vergleich unterschiedlich präparierter und analysierter Proben wird die Ausbildung eines Scheingefüges ausgeschlossen.
Mit den entwickelten Verfahren ist eine mechanische Präparation der Proben ohne Schädigungen wie Kratzern oder einer Kantenverrundung gewährleistet. Zusätzlich konnte die
Kornstruktur von alpha-Uran und der Legierung Uran-Molybdän bei allen Phasenzusammensetzungen mit verschiedenen Präparationsverfahren aufgedeckt werden. Auch die Dendritenstruktur der inhomogen verteilten gamma-Phase konnte sichtbar gemacht werden. Alle auftretenden Strukturen wurden zudem mit individuell ausgewählten Ätzverfahren kontrastiert.
Die Analyse der Proben erfolgte mit optischen Mikroskopen, mit einem Elektronenmikroskop und mittels Röntgenanalyse (EDX).
Für nachfolgende wissenschaftliche Arbeiten und metallurgische Untersuchungen ist dadurch eine sehr gute Präparation der Legierung Uran-Molybdän gegeben.
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung
1. Motivation
1.1. Der Kernbrennstoff des FRM II
1.2. Die Umrüstung des FRM II
1.3. Ziel der Baehelorarbeit
2. Theoretische Grundlagen
2.1. Grundbegriffe der Metallografie
2.2. Eigenschaften von Uran und Uran - Molybdän
2.3. Probenpräparation
2.3.1. Probenentnahme
2.3.2. Einbetten
2.3.3. Schleifen und Polieren
2.3.4. Atzen
3. Metallografische Präparation
3.1. Vorversuche an inaktiven Proben
3.2. Herstellung der Proben
3.2.1. Sägen und Schmelzen
3.2.2. Homogenisieren und Ausglühen
3.3. Einbetten der Proben
3.3.1. Vakuumeinbetten
3.3.2. Elektrische Kontaktierung der Proben
3.4. Mechanische Präparation von Uran - Molybdän
3.4.1. Experimentelle Vorgchcnswcisc
3.4.2. Zweistufige Diamantpolitur
3.4.3. Oxidpolitur
3.5. Analyse nach der Endpolitur
3.6. Atzen von Uran - Molybdän
3.6.1. Anlafbätzcn
3.6.2. Atzrezept für Uran - Legierungen
3.6.3. Atzrezept für Uran - Molybdän
3.6.4. Elektrolytisches Atzen
3.6.5. Vergleich und Zusammenfassung der Ätzverfahren
3.7. Präparation von unlegiertem Uran
3.7.1. Policrrczcpt
3.7.2. Oxidation
4. Fazit
4.1. Zusammenfassung und Ergebnisse
4.2. Ausblick
A. Anhang
A.l. Phasendiagramm von Uran-Molybdän
Inh ai tsvcrzcichnis
A.2. Mechanische Präparationsfehler
А.2.1. Kratzer
A.2.2. Ausbrüche
A.2.3. Kantenabrundung
A.2.4. Reliefbildung
A.2.5. Kontaminierungen
A.2.6. Zusammenfassung der vorgcstclltcn Präparationsfchlcr
A.3. Verwendete Geräte und Hilfsmittel
A.4. Weitere Bilder der Proben
A.4.1. Vorversuche an inaktiven Proben
A.4.2. Unbehandelte Proben (A-2a und A-2b) nach der Politur
A.4.3. Homogenisierte Proben (A-31 und A-32) nach der Politur
A.4.4. Ausgeglühte Proben (A-27-A-30) nach der Politur
A.4.5. Anlaßätzen
A.4.6. Ätzrezept für Uran - Legierungen
A.4.7. Atzrezept für Uran - Molybdän
A.4.8. Elektrolytisches Atzen
A.4.9. Uran Proben
A.5. Eigenschaften der verwendeten Polierseheiben
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Literaturverzeichnis
Kurzfassung
Im Rahmen der geplanten Umrüstung des F RM II auf einen Kernbrennstoff mit niedrigerem Anreieherungsgrad ist die mctallographischc Präparation der Legierung Uran - Molybdän für verschiedene materialwissensehaftliehe Untersuchungen von großer Bedeutung. Uran- Molvbdän hat sieh schon in der Vergangenheit als ein erfolgversprechender Kandidat für die Umrüstung von Forschungsreaktoren etabliert. Nur durch weitere Analysen kann überprüft werden, inwiefern diese Legierung auch als zukünftiger hochdichtcr Kernbrennstoff des FRM II geeignet ist. In Bezug auf die metallurgische Untersuchung der Gefügestruktur ist die korrekte Präparation von Uran - Molybdän ein zentrales Element. Informationen über eine geeignete Vorgchcnswcisc bei der mctallographischcn Präparation dieser Legierung sind in der entsprechenden Fachliteratur bisher kaum vorhanden.
Aus diesem Grund erfolgen im Rahmen dieser Arbeit systematische Untersuchungen, wobei für jeden Präparationssehritt ein entsprechendes Verfahren entwickelt und optimiert wird. Verschiedene Festkörperphasen besitzen unterschiedliche mechanische und chemische Eigenschaften, sodass für alle relevanten Phasenzusammensetzungen von Uran - Molybdän und zusätzlich für reines, metallisches α-Uran geeignete Präparationsverfahren entwickelt werden. Durch den Vergleich unterschiedlich präparierter und analysierter Proben wird die Ausbildung eines Seheingefüges ausgeschlossen.
Mit den entwickelten Verfahren ist eine mechanische Präparation der Proben ohne Schädigungen wie Kratzern oder einer Kantcnvcrrundung gewährleistet. Zusätzlich konnte die Kornstruktur von α-Uran und der Legierung Uran - Molybdän bei allen Phasenzusammensetzungen mit verschiedenen Präparationsverfahren aufgedeckt werden. Auch die Dendritenstruktur der inhomogen verteilten 7-Phase konnte sichtbar gemacht werden. Alle auftretenden Strukturen wurden zudem mit individuell ausgewählten Ätzverfahren kontrastiert. Die Analyse der Proben erfolgte mit optischen Mikroskopen, mit einem Elektronenmikroskop und mittels Röntgcnanalvsc (EDX).
Für nachfolgende wissenschaftliche Arbeiten und metallurgische Untersuchungen ist dadurch eine sehr gute Präparation der Legierung Uran - Molybdän gegeben.
Motivation
Die Forschungs- Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garehing bei München ist seit dem .Jahr 2004 in Betrieb. Hochflussrcaktorcn haben bei einer möglichst geringen Leistung einen möglichst großen Fluss an thermischen Neutronen, die in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden können. Abbildung 1.1 zeigt das Reaktorbecken des FRM II, der mit einer ungestörten Neutronenflussdichte von 8 · 1014 s ™m2 bei einer thermischen Nennleistung von 20 MW das weltweit beste Verhältnis von thermischer Ncutroncnflussdiehtc zur Rcaktorlcistung besitzt [7]. Neutronen finden Anwendung in der Festkörperphysik und Matcrialwisscnsehaft zur Strukturanalyse, in der Chemie und Radio- pharmazic zur Gewinnung von Radioisotopen, in der Medizin beispielsweise im Rahmen einer Strahlentherapie für krebskranke Patienten [1] und in der Halbleiterindustrie zur Transmutationsdotierung von Silizium [8], [7].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1.1.: Das Reaktorbecken des FRM II [9]. Das Wasser in dem Reaktorbecken des FRM II ist eine sehr wirkungsvolle Barriere gegen radioaktive Strahlung. In dem hinteren Absetzbecken können weitere Brennelemente gelagert werden [7].
1. Motivation
1.1. Der Kernbrennstoff des FRM II
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1.2.: Brennelement des FRM
II. Das Brennelement enthält 113 Brennstoff¬platten, die zylindersymmetrisch angeordnet sind. Um ein Verhältnis zwischen Neutronenfluss und thermischer Leistung auf diesem Niveau zu erzielen, wird ein sehr kompaktes Brennelement benötigt, das eine hohe Dichte an dem thermisch spaltbaren Uranisotop 235 U besitzt. Derzeit besteht der Kernbrennstoff des FRM II aus hoch angcrciehcrtcm Uran (Anreicherungsgrad 93wt% 235U), das in einer U3Si2 - Verbindung in Form von Körnern vorlicgt. Diese Körner befinden sieh dispers in einer Aluminium - Matrix. Das bedeutet die U3Si2 - Körner sind mit dem Aluminium vermischt, eine chemische Reaktion findet aber zunächst nicht statt [4]. Das Gemisch aus U3Si2 und Aluminium wird als Meat bezeichnet. Zur Abtrennung dieses dispersen Brennstoffs von dem Kühlwasser dient das Cladding, eine Ummantelung aus der Aluminiumlegierung AlFeNi. Es kommt nur ein einziges Brennelement zum Einsatz, das in Abbildung 1.2 dargestellt ist und aus 113 evolventenförmig angeordneten Brcnnstoffplattcn besteht.
Um die bei der Kernspaltung entstehende Wärme abzuführen fließt zwischen den Platten leichtes Wasser. In dem inneren Rohr des Brennelements wird ein Regelst ab aus Hafnium so bewegt, dass ein möglichst konstanter Abbrand erfolgt. Das Brennelement befindet sieh in einem Tank, der mit schwerem Wasser gefüllt ist und das aufgrund des geringen
Absorptionsquerschnitts zur Moderation der freigesetzten Neutronen dient. Ein Teil der Neutronen wird durch das schwere Wasser zurück zum Brennelement reflektiert, während die Mehrzahl infolge der Moderation eine hohe thermische Neutronenflussdichtc bereitst eilt, die für die Experimente genutzt wird [7].
1.2. Die Umrüstung des FRM II
Für die Zukunft ist im Rahmen internationaler Bestrebungen eine Umstellung des FRM II auf niedriger angcrcichcrtcs Uran geplant. Die Umsetzung dieses Ziels darf die Neutronenflussdichte nur marginal und die Zyklusdauer des FRM II von derzeit ungefähr 60 Tagen
nicht ändern. Ein Umbau des Reaktors ist ökonomisch nicht vertretbar, demnach muss die Umstellung durch einen Wechsel des Kernbrennstoffs stattfinden. Als erfolgversprechender Kandidat für einen zukünftigen Kernbrennstoff hat sich aus bisherigen Arbeiten zu diesem Thema eine Legierung aus Uran und Molybdän (UMo) mit einem Anteil an Molybdän von ungefähr 5- 12wt% (Gewichtsprozent) herausgestellt [4]. Das neue Brennmaterial muss eine höhere Urandichte aufweisen, sodass bei einem niedrigeren Anreicherungsgrad mehr spaltbares 235 U zur Verfügung steht. Durch einem erhöht en Anteil an 235 U kann die zusätzliche Absorption von Neutronen durch das 238 U und das Molybdän kompensiert werden.
1.3. Ziel der Bachelorarbeit
Die Arbeitsgruppe Hochdichte Kernbrennstoffe untersucht derzeit das Verhalten von Uran- Molvbdän mit zahlreichen internationalen Partnern. Um herauszufinden, ob diese Uranlegierung als zukünftiger Kernbrennstoff des FRM II geeignet ist, sind weitere materialwissenschaftliche Untersuchungen notwendig. Bei vielen dieser Untersuchungen ist eine gute met allographische Präparation zur Analyse und weiteren Diskussion erforderlich. Die met allographische Präparation umfasst die Probenentnahme, das Einbetten, das Schleifen und Polieren, das Atzen sowie das Reinigen der Probe und macht die Gefügestruktur sichtbar fl]. Für die Präparation von weit verbreiteten Werkstoffen wie beispielsweise Stählen, Kupfer- oder Aluminiumlegierungen existieren verschiedene Polierrezepte [2], die von Unternehmen dieser Branche entwickelt wurden. Für Uran-Molvbdän ist kein Polierrezept dieser Art öffentlich bekannt und auch in der allgemeinen Literatur aus dem Bereich der Materialwissenschaft finden sich keine oder nur sehr vage Aussagen über eine optimale Politur von Uranlegierungen.
Aus diesem Grund soll das Ziel dieser Bachelorarbeit das Finden und Dokumentieren eines geeigneten Polierrezepts für Uran-Molvbdän sein, welches das metallografische Gefüge aufdeckt. Zu diesem Zweck werden systematisch unterschiedliche Präparationstechniken ausgetestet und anschließend verglichen. Als Ansatz dienen dabei alle bisherigen Erfahrungen der Arbeitsgruppe, vorhandene Polierrezepte von Materialien mit ähnlichen Eigenschaften und verschiedene Hinweise aus der Fachliteratur zur Probenpräparation [17]. Die gefundenen Strukturen von UMo können im Rahmen weiterführender Arbeiten mit Hilfe der entwickelten Präparationsverfahren ausführlicher analysiert und diskutiert werden.
“Viele Polierrezepte finden sich beispielsweise auf der Internetseite der Firma Steuer s im Abschnitt Application Notes [26].
2 Theoretische Grundlagen
In diesem Kapitel wird eine kurze Einführung in die Metallografie gegeben, dem Teilbereich der Festkörperphysik, der sieh mit dem Gefügeaufbau der Metalle befasst. Außerdem werden die Grundlagen der Probenpräparation erläutert.
2.1. Grundbegriffe der Metallografie
Festkörper werden anhand ihrer elektronischen Bandstruktur in drei verschiedene Gruppen eingeteilt: Isolatoren, Halbleiter und Leiter (Metalle). Bei den Isolatoren und Halbleitern liegt die Fermicncrgic in der Bandlückc zwischen Valenz - und Leitungsband[1]. Da die Legierung UMo eine metallische Verbindung ist, sind im Weiteren nur die Metalle, von Interesse. Hier liegt die Fermicncrgic innerhalb des Leitungsbandes [13].
Metalle treten meist in Kristallstrukturen auf, das bedeutet die Atome sind in einer regelmäßigen, periodischen Gitterstruktur angeordnet und weisen neben einer Nah- auch eine Fernordnung auf. Die metallische Bindung ist durch eine Delokalisation der Elektronen der äußersten Atomsehalc charakterisiert, die in einfacheren Fällen durch das Fermigasmodcll beschrieben werden kann [12]. Bei der Kondensation von flüssigem Metall wächst an jedem Kondensationskeim ein Kristall. Die Ausrichtung dieser Kristalle zueinander ist statistisch verteilt, folglich sind die meisten um einen Winkel gegeneinander verdreht und passen deshalb lctztcndlieh nicht zu einem einzigen Einkristall zusammen. Metalle treten in der Natur also nicht als perfekte Einkristalle, sondern als Polykristalle auf. Technisch lassen sieh aber aus polvkristallinen Metallen beispielsweise mit dem Czochralski- Verfahren Einkristalle erzeugen [13]. Die verschieden orientierten Einkristalle des Polykristalls werden Körner genannt. In Abhängigkeit von Material und Wachstumsprozess können Körner Durchmesser im Bereich von einigen Nanometern bis hin zu mehreren Zentimetern besitzen [1].
In Abhängigkeit von äußeren Parametern wie dem Druck p und der Temperatur T kann ein Metall einen Übergang in eine energetisch günstigere Festkörperphase vollziehen, was mit einer Umstrukturierung des Kristallgitters verbunden ist. Der Phasenübergang erfolgt aufgrund des Bestrebens die freie Enthalpie G zu minimieren [14]. Mit der Entropie S, dem Volumen V, der inneren Energie U und der Enthalpie H gilt dann für den Gleichgewichtsfall [30]:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gekennzeichnet sind verschiedene Phasen im Allgemeinen durch eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung oder einen anderen physikalischen Gitteraufbau. Grenzen zwischen Körnern heißen Phasengrenzen, wenn die benachbarten Körner in verschiedenen Phasen vorliegen. Grenzen zwischen Körnern gleicher Phase heißen Korngrenzen. Das Gefüge. bezeichnet den Zusammenschluss aus unregelmäßig aufgebauten Körnern, die Korn- und Phasengrenzen aufweisen können fl].
Das Gefüge reiner Metalle liegt stets in der gleichen Phase vor, da hier der Phasenübergang für alle Körner bei den gleichen äußeren Parametern stattfindet. Bei reinen Elementen existieren demnach nur Korn - und keine Phasengrenzen. Besitzt ein reiner Festkörper mehrere verschiedene Erscheinungsbilder in Form von unterschiedlichen Phasen so wird dies als Allotropie bezeichnet. Beispiele sind das Auftreten von festem Zinn in der α-, β- oder 7-Phase sowie die verschiedenen Phasen des elementaren Phosphors [2] fl]. In Abbildung 2.1 sind beispielhaft zwei Phasen des Phosphors dargestellt, die in ihren Eigenschaften grundverschieden sind.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.1.: Zwei Festkörperphasen des Phosphors. Roter Phosphor ist ein Nichtmetall, während Schwarzer Phosphor metallische Eigenschaften aufweist. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Gitteranordnung der Phosphoratome in den beiden Phasen [14].
Legierungen hingegen können Körner mit unterschiedlicher Konzentration der einzelnen Leganten besitzen, sodass der Phasenübergang zweier Körner im Allgemeinen bei verschiedenen äußeren Parametern erfolgt. Entsprechend können bei Legierungen Korn - und Phasengrenzen auftreten. Nicht zwingend müssen sich in Legierungen chemische Verbindungen ausbilden. Die zulegierten Elemente können auch Plätze in dem Gitter des Basismetalls besetzen. In diesem Fall formen sich sogenannte Substitutionsmischkristalle aus. Dies geschieht vor allem wenn die beiden Komponenten das selbe Bravaisgitter ausbilden und eine ähnliche Elektronenkonfiguration besitzen. Zeigt eine Legierung die Ausbildung unterschiedlicher Phasen, so wird dies als Polymorphie bezeichnet [1].
Zusätzlich zu den zweidimensionalen Gitterfehlern wie Korn- und Phasengrenzen weisen Metalle in dem Kristallverband noch andere Defekte auf. Dreidimensionale Gitterfehler ( Volumendefekte) sind Bereiche des Kristalls, in denen sich Einschlüsse mit Fremdstoffen befinden. Mit technischen Mitteln (z.B. durch das tiegelfreie Zonenschmelzverfahren) können diese Verunreinigungen stark reduziert werden, sodass heute die Erzeugung nahezu vollkommen reiner Werkstoffe möglich ist [16]. Ferner treten in realen Kristallen auch Hohlräume auf, die mit Gasen oder Flüssigkeiten gefüllt sind und Poren genannt werden [12], [16]. In dem Rahmen dieser Arbeit sind nur die genannten zwei- und dreidimensionalen Gitterfehler von Interesse. Andere Defekte wie beispielsweise Farbzentren, Frenkelund Sehottkv-Defekte spielen bei einer Betrachtung auf dieser Größcnskala keine Rolle.
2.2. Eigenschaften von Uran und Uran-Molybdän
Reines Uran bildet in Abhängigkeit von äußeren Parametern drei verschiedene Festkörperphasen aus, die in Tabelle 2.1 aufgclistct sind. Uranproben, die der Luft ausgesetzt sind, oxidieren an der Oberfläche innerhalb einiger Stunden und zeigen je nach Stärke der Oxidation eine charakteristische Färbung. Die Literatur beschreibt mit zunehmender Oxidation einen Farbvcrlauf von einem silberfarbenen Glanz über ein leuchtendes Gelb bis hin zu einem matten Blaulila [10].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2.1.: Allotropie bei Uran. Uran bildet in Abhängigkeit der Temperatur drei verschiedene Festkörperphasen aus [6]. Die angegebenen Werte beziehen sich auf Atmosphärendruck.
Die y- Phase von Uran kann durch das Hinzufügen eines geringen Anteils von Molybdän bei Raumtemperatur stabilisiert werden [23], [18]. Die Stabilisierung der y- Phase verstärkt sieh dabei mit dem Anteil an zugefügtem Molybdän. Nachgcwicscn wurde diese Tatsache in [23] für Legierungen mit einem Anteil an Molybdän zwischen 5,4 wt% und 12wt%. Für die Verwendung von Uran als Kernbrennstoff ist eine Stabilisierung der y- Phase aufgrund des Bestrahlungsverhaltens im Reaktor notwendig [6].
Eine Übersicht der Härte von Uran in Abhängigkeit des zulegierten Anteils an Molybdän wird in Tabelle 2.2 gegeben. Aus der Tabelle kann entnommen werden, dass die Legierung UMo signifikant härter ist als reines Uran. Dement sprechend ist davon auszugehen, dass sic abweichend präpariert werden muss. Die Härte eines Materials wird ferner vom Hcr- stcllungsprozcss beeinflusst und deshalb kann cs zu Abweichungen von den in Tabelle 2.2 aufgeführten Werten kommen. Aus diesem Grund sind die angegebenen Härtewerte lediglich als Richtwerte anzusehen. Ein Phasendiagramm von Uran - Molybdän befindet sieh im Anhang A.l dieser Arbeit. Für eine tiefergehende Beschreibung aller Festkörperphasen der Legierung UMo sei an dieser Stelle auf andere Arbeiten [18] verwiesen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2.2.: Härte der 7-Phase von Uran-Molybdän. Die Härte der Legierung UMo nimmt mit steigendem Anteil an Molybdän zu. Die Angaben zu den Anteilen von Molybdän an der Legierung sind mit einer Unsicherheit von ±0,2 wt% behaftet [23].
2.3. Probenpräparation
Die Probenpräparation wird in vier Teilsehritte unterteilt:
1. Probenentnahme
2. Einbetten
3. Schleifen und Polieren
4. Atzen
In Abhängigkeit der verwendeten Technik können aber auch einzelne Teilschritte der Präparation entfallen. Beispielsweise sind bei einigen Materialien die gewünschten Informationen bereits vor dem Atzen ersichtlich.
Ein Gefüge, das infolge von Fehlern bei der Präparation verändert wurde, wird in der Metallografie als Scheingefüge bezeichnet. Die Ausbildung eines Scheingefüges kann mechanische, thermische oder chemische Ursachen haben, entsprechende Beispiele sind in Abbildung 2.2 aufgeführt. Eine Veränderung des Gefüges durch die Präparation kann zu falschen Schlussfolgerungen bei der Analyse der Probe führen und muss aus diesem Grund sicher ausgeschlossen werden [1]. Durch das Aufdecken der gleichen Gefügestruktur mit verschiedenen Präparationsverfahren kann die Analyse der wahren Struktur gewährleistet werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.2.: Ursachen für die Ausbildung eines Scheingefüges. Das Gefüge der Probe kann sich infolge mechanischer, thermischer oder chemischer Einwirkungen verändern [1]. Für eine aussagekräftige Analyse darf das Präparationsverfahren das Gefüge nicht verfälschen.
2.3.1. Probenentnahme
Mit der Probenentnahme findet die Auswahl eines repräsentativen Teils des zu untersuchenden Materials statt. Die Probenentnahme kann mechanisch, thermisch oder elektrochemisch erfolgen. Unabhängig von dem Verfahren sollte der Trennvorgang das Gefüge der Probe nach Möglichkeit nur geringfügig verändern. Ein mechanisches Trennverfahren erzeugt eine plastisch deformierte Oberflächenschicht und führt infolge der Energiezufuhr zu der Ausbildung zusätzlicher Gitterdefekte. Bei der Verwendung von Trennscheiben beträgt die gestörte Oberflächenschicht bei einer richtigen Wahl aller Parameter beispielsweise eine Dicke von einigen μτη [1]. Die geschädigten Schichten müssen im Laufe der weiteren Präparation vollständig entfernt werden, sodass eine Analyse des unveränderten Gefüges sichergestellt ist. Auch die bei dem Trennvorgang entstehende Wärme sollte durch ein Kühlmittel schnellstmöglich abgeführt werden, da sie ansonsten zu thermisch bedingten Phasenumwandlungen oder Kornwachstum führen kann. Eine Alternative sind elektrochemische Trennverfahren, die allerdings um ein Vielfaches aufwendiger sind und zur Ausbildung von chemisch bedingten Scheingefügen führen können [17].
2.3.2. Einbetten
Das Einbetten dient der Fixierung unhandlicher oder brüchiger Proben und bringt sie in eine standardisierte Form, in der sie anschließend mit einer (halb-) automatischen Poliermaschine weiterbearbeitet werden können. Dieses Vorgehen vereinfacht die Reproduzierbarkeit. der nachfolgenden Schritte. Das Einbettmittel muss verschiedene Kriterien erfüllen, so darf es keine chemischen Reaktionen mit der Probe eingehen und muss ein ähnliches Polierverhalten wie das Probenmaterial zeigen. Zusätzlich muss das Einbettmittel gegenüber den im weiteren Präparationsverfahren verwendeten Ätzmitteln chemisch beständig sein und sollte gut an der Probe haften. Als Einbettmittel sind deshalb generell auch anorganische Materialien wie Metalle oder Legierungen geeignet. In der Regel werden jedoch organische Stoffe wie Natur- oder Kunstharze verwendet [17].
Grundsätzlich zu unterscheiden sind das Kalt - und das Warmeinbetten, wobei bei beiden Verfahren Kunstharze als Einbettmittel dienen [17]. Bei dem Warmeinbetten werden die Proben mit einem Pulver oder Granulat in einer Einbettpresse unter Druck (250-350 bar) auf ungefähr 150 °C erwärmt. Das Granulat verdichtet sich und bettet das Probenmaterial in einem Zeitraum von 5-15 min ein. Dieses Verfahren ist folglich ungeeignet für temperatur- oder druckempfindliche Proben, da sich das Gefüge verändern würde [17], [19]. Beim Kalteinbetten wird das Einbettmittel durch Vermischen von zwei verschiedenen Komponenten hergestellt und härtet durch eine chemische Reaktion aus. Allerdings können aufgrund der chemischen Reaktion auch beim Kalteinbetten in Abhängigkeit des Einbettmittels Temperaturen im Bereich von 100°C auftreten [17], [5]. Bei niedrigeren Temperaturen laufen die chemischen Reaktionen langsamer ab und so kann durch gezieltes Kühlen ein besonders schonender Einbettvorgang erfolgen. Das Aushärten dauert beim Kalteinbetten länger als beim Warmeinbetten (je nach Einbettmittel zwischen 15 min und 48 h), dafür können alle Proben gleichzeitig eingebettet werden und es ist kein zusätzliches Gerät erforderlich. Die Proben müssen innerhalb der Topfzeit· eingebettet werden. Dies ist der Zeitraum zwischen der Herstellung und dem Aushärten des Einbettmittels.
Für das Kalteinbetten eignen sich verschiedene Kunstharze wie Polyester-, Acrvl- und Epoxydharz [17]. Polyesterharze sind gegen starke Säuren und Basen chemisch unbeständig und aus diesem Grund nur sehr begrenzt einsetzbar. Acrvlharze härten schnell aus, besitzen deshalb allerdings auch eine relativ kurze Topfzeit im Bereich von 2 -4 min. Sie eignen sich besonders gut für schnelle Routineuntersuchungen. Epoxydharze werden aus zwei flüssigen Komponenten angerührt, dem Harz und dem Härter. Die Zeit, die Epoxydharze zum Aushärten benötigen, liegt in der Größenordnung von mehreren Stunden. Dementsprechend besitzen sie auch eine deutlich längere Topfzeit als die Acrylharze, die im Bereich von lh liegt [5]. Epoxydharze zeigen aufberdem eine sehr geringe Schrumpfung während des Aushärtens und besitzen generell eine bessere Probenhaftung als die Acrvl- harze. Eine Übersicht einiger Kalteinbettmittel wird in Abbildung 2.3 gegeben.
Die Technik des Vakuumeinbettens ist ein optionales Verfahren für das Kalteinbetten mit Epoxydharzen und eignet sich besonders gut für das Einbetten poröser oder brüchiger Materialien. Die Proben werden in ihren Einbettformen mit Epoxydharz übergossen und kurzzeitig evakuiert. Infolge des anschließenden Bclüftcns innerhalb der Topfzeit wird das Harz in Hohlräume gedrückt und füllt Risse und Poren aus (17]. Durch das Vakuumeinbetten ist die Probe somit optimal fixiert und der Abbruch einzelner Teile des Probenmaterials, die anschließend die Oberfläche beschädigen können, wird verhindert. Auch das Schließen von Poren und Rissen ist für alle anschließenden Präparationsschritte von Vorteil. So kann beispielsweise das Ätzmittel bei einem späteren Atzvcrfahrcn nicht in Vertiefungen der Probe cindringcn, sondern greift gleichmäßig an der Oberfläche an. Zusätzlich lassen sich durch das Vakuumeinbetten Luftblasen entfernen, die beim Anrühren des Einbettmittels entstehen. Acrylharze sind für diese Technik ungeeignet, da sie eine hohe Viskosität besitzen
und sehr kurze Topfzeiten aufweisen. Da der Härter des Epoxydharzes einen geringeren Siedepunkt als das Harz besitzt, verdampft er durch das Evakuieren teilweise. Um diesen Verlust auszuglcichcn sollte ungefähr 10% mehr Härter beigemischt werden, als vom Hersteller angegeben wird [17].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.3.: Verschiedene Kalteinbettmittel [5]. Die Probe in der Mitte des Bildes wurde mit einem Epoxydharz eingebettet, für die äußeren Proben wurden unterschiedliche Acrylharze verwendet [22].
Die verschiedenen Einbettmittel unterscheiden sieh also stark in ihren Eigenschaften wie beispielsweise Transparenz, chemische Beständigkeit oder elektrische Leitfähigkeit und auch hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für das Vakuumeinbetten. Für eine optimale Präparation muss daher individuell für jedes Probcnmatcrial unter Einbeziehung aller Vor- und Nachteile das passende Einbettmittel ausgewählt werden.
Nach dem Einbetten sind die Proben zu kennzeichnen. Zu diesem Zweck wird nach dem Aushärten eine Markierung oder Beschriftung in den Rand der Probe eingraviert. Alternativ können bei transparenten Harzen Markierungen mit eingebettet werden.
2.3.3. Schleifen und Polieren
Für die Gefügeanalyse muss die Oberfläche der Probe plan, glatt und frei von Kratzern sein. Dies kann generell durch einen Materialabtrag mit mechanischen, (elektro-) chemischen oder auch kombinierten Verfahren erreicht werden. Bei den meisten Anwendungen und insbesondere bei Metallen empfiehlt sieh ein mechanischer Materialabtrag, der deshalb im Weiteren erläutert werden soll. Für Informationen zu anderen Verfahren wird an dieser Stelle auf die Fachliteratur verwiesen [11. [171·
Der mechanische Materialabtrag erfolgt durch Schleifen und Polieren, wobei der Übergang kontinuierlich ist. Auch durch diesen Präparationssehritt darf das Gefüge unter keinen Umständen verfälscht werden und cs muss stets gewährleistet sein, dass veränderte Bereiche des Probenmaterials durch nachfolgende Schritte wieder entfernt werden. Präparations- fchlcr dieser Art werden im Anhang A.2 detailliert behandelt. Aufgrund einer besseren Reproduzierbarkeit wird die mechanische Präparation meist (halb-) automatisch mit einer Poliermaschine und nicht von Hand durchgeführt. Parameter, die für das Schleifen und Polieren dann eine Rolle spielen sind die Kraft mit der die Probe gegen die Polierseheibe gedrückt wird, die Präparationszeit, die Drehzahl der Scheibe sowie das Material der Polierseheibe und des Polier- und Schmiermittels. Insbesondere sind die Körnung und auch die Menge des verwendeten Policrmittcls von großer Bedeutung. Ein weiterer Parameter ist die Rotationsrichtung zwischen Probenhalter und Scheibe, hier gibt cs zwei Möglichkeiten: Gleich - oder Gegenlauf [20].
Die mechanische Präparation lässt sieh grundsätzlich in vier Teilschritte unterteilen, die in Tabelle 2.3 aufgelistet sind. In diesen Schritten wird mit einer abnehmenden Korngröße gearbeitet, sodass sieh der Materialabtrag während der Präparation reduziert. .Jeder Schritt entfernt dabei Schädigungen des Gefüges aus dem vorangegangenen Schritt, fügt jedoch auch wieder neue Schäden hinzu. Bei einer korrekten Wahl aller Polierparameter werden die verursachten Schäden mit jedem Schritt geringer und die Probcnqualität verbessert sieh im Laufe der mechanischen Präparation stetig [17].
In der Regel werden für das Schleifen Verbund- oder SiC- Scheiben[3] verwendet. Die für den Materialabtrag verantwortlichen Körner sind hier fest in der Scheibe gebunden und zusätzlich ist für den Schlcifprozcss ein Kühlmittel erforderlich, wie beispielsweise Wasser. Für das Polieren werden aufgrund ihrer Härte meist Diamantkörner verwendet, die in Form einer Suspension mit einem Kühl - und Schmiermittel auf der Polierseheibe aufgetragen werden. Der Materialabtrag erfolgt hier also nicht durch die Scheibe, sondern durch das aufgetragene Policrmittcl. Verschiedene Polierseheiben unterscheiden sieh grundsätzlich hinsichtlich der Härte, und ihrer Stoßelastizität. Für die Auswahl einer geeigneten Scheibe und des Policrmittcls sind die Matcrialcigcnsehaftcn Härte, und Duktilität4 der Probe entscheidend. In Abhängigkeit des Probcnmatcrials müssen in den einzelnen Poliersehritten für optimale Ergebnisse folglich unterschiedlich harte und elastische Polierseheiben aus verschiedenen Materialien ausgewählt werden [22].
Die Endpolitur kann wahlweise mit Diamanten oder in Form einer Oxidpolitur erfolgen. Das Kennzeichen einer Oxidpolitur ist, dass der Materialabtrag nicht nur mechanisch, sondern auch chemisch stattfindet [17]. Das Policrmittcl einer Oxidpolitur ist aus diesem Grund nicht pH-neutral, sondern beispielsweise unter Verwendung von kolloidalem SiO2 leicht alkalisch oder bei Tonerde (Al2O3) sauer. Durch eine Zugabe von probenspezifischen Reagenzien kann die chemische Wirkung der Oxidpolitur verstärkt werden [29].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2.3.: Mechanische Präparationsschritte. Die mechanische Präparation lässt sich in vier Teilschritte unterteilen. Während zn Beginn der mechanischen Präparation die Planheit der Probe und der Materialabtrag im Vordergrund stehen, reduzieren die weiteren Schritte die Schäden im Gefüge der Probe auf das nötige Minimum.
Bei der mechanischen Präparation müssen also für jeden Teilschritt und individuell für jede Probe die passenden Parameter ausgewählt werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Die Reproduzierbarkeit der mechanischen Präparation ist durch die Verwendung automatisierter Geräte gegeben, sodass eine glciehblcibcndc Qualität gewährleistet ist.
2.3.4. Ätzen
Das Aufdecken und Kontrastieren des Gefüges einer Probe wird in der Metallografie als Atzen bezeichnet. Eine Unterteilung der verschiedenen Atzverfahren kann nach der Größe der sichtbar gemachten Strukturen erfolgen, so wird das Makro- und das Mikroätzen unter schieden. Eine Mikroätzung kontrastiert das Gefüge für eine Betrachtung mit dem Mikroskop, bei einer Makroätzung ist die Gefügestruktur ohne oder unter geringer Vergrößerung (beispielsweise mit einer Lupe) sichtbar. Eine Makroätzung ist allerdings nur möglich, wenn das Gefüge der Probe Strukturen in einer solchen Größenordnung ausbildet. Außerdem wird generell zwischen Korngrenzen - und Kornflächenätzen [5] unterschieden, je nachdem welche Gefügebestandteile durch das Verfahren kontrastiert werden [17]. Abbildung 2.4 zeigt einen makrogeätzten Block aus Aluminium, wobei die Kornstruktur die im Bereich einiger mm liegt, bereits mit dem bloßen Auge sehr gut zu erkennen ist.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.4.: Makrogeätztes Aluminium [24]. Der abgebildete Aluminiumblock besitzt eine Reinheit von 99,9%. Die Makroätzung wurde chemisch mit einer Ätzlösung aus HF, HCl und HNO3 durchgeführt und macht die Kornstruktur auch ohne Verwendung optischer Geräte sichtbar.
Der Vorgang des Ätzens basiert auf der unterschiedlich starken Wechselwirkung einzelner Bestandteile des Gefüges mit äußeren Einflüssen. Die Unterschiede in der Wechselwirkung ergeben sieh bei Körnern verschiedener Phase durch die unterschiedliche chemische Zusammensetzung oder das ungleiche Kristallgitter und bei Körnern gleicher Phasen durch die unterschiedliche Gittcroricnticrung. Es wird zwischen optischem, physikalischem und (elektro-) chemischem Atzen unterschieden, wobei bei den Verfahren jeweils verschiedene Mechanismen der Wechselwirkung ausgenutzt werden. Im Folgenden wird ein kurzer Überblick zu den in der Metallografie gebräuchlichen Atzverfahren gegeben [1], [17]:
“Die KoruHäclieu sind die polierten QuersclinittsHäclien der Körner.
Optische Ätzverfahren
Das optische Atzen beruht auf der unterschiedlichen Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen mit den verschiedenen Gefügebestandteilen. Das Kontrastieren der Gefügestruktur erfolgt unter Verwendung eines Mikroskops und mit speziellen Beleuchtungsverfahren. Die gewöhnliche Hellfeldmikroskopie (BF) zählt dementsprechend nicht zu den optischen Ätzverfahren. Charakteristisch für alle optischen Ätzverfahren ist, dass die Kontrasticrung ohne eine Veränderung der Probcnobcrflächc erreicht wird [17]. Verschiedene optische Ätzverfahren sind beispielsweise:
- Dunkelfeldmikroskopie (DF): Bei diesem Verfahren wird das Licht schräg eingestrahlt und nur die an der Probe gebeugten oder diffus gestreuten Lichtstrahlen tragen zur Abbildung bei. Infolgedessen erscheinen die rauen Korngrcnzcn in der Dunkelfeldabbildung hell, da das Licht an ihnen häufiger streut als an den glatten Kornflächcn. Aus diesem Grund dient die Dunkelfeldabbildung in der Regel dem Atzen der Korngrcnzcn (1].
- Polarisationsmikroskopie: Bei diesem Verfahren wird für die Abbildung linear polarisiertes Licht verwendet, sodass optisch isotrope und anisotrope Phasen unterschieden werden können (17].
- Differentieller Interferenzkontrast (DIK): Mit diesem Verfahren können geringe Höhenunterschiede der Probcnobcrflächc plastisch dargestellt werden. Eine ausführliche Erläuterung dieses Verfahrens findet sich in [1].
- Phasenkontrastmikroskopie: Diese Technik wird hauptsächlich für die Durchlichtmikroskopie verwendet und spielt aus diesem Grund für die Analyse von Metallen aufgrund ihrer Opazität eine untergeordnete Rolle [17].
Physikalische Ätzverfahren
Physikalische Ätzverfahren nutzen für die Kontrasticrung die unterschiedlichen Bindungsenergien der verschiedenen Bestandteile des Gefüges aus. So können mit Beschichtungsverfahren auf der Probcnobcrflächc unterschiedlich dicke Intcrfcrcnzschichtcn aufgetragen werden. Geeignet sind beispielsweise verschiedene PVD - Verfahren (physical vapour deposition) wie das (reaktive) Sputtern [1]. Eine andere Möglichkeit ist der unterschiedliche Materialabtrag an der Probcnobcrflächc durch einen Beschuss mit energiereichen Ionen (Ioncnätzcn). Für weiterführende Informationen zu den einzelnen Verfahren wird auf die entsprechende Fachliteratur fl] verwiesen.
Chemische Ätzverfahren
Chemische Ätzverfahren nutzen für die Kontrasticrung die unterschiedlichen chemischen Potentiale der Gefügestruktur aus. Durch Redoxreaktionen zwischen Ätzmittel und Probematerial wird der Kontrast verstärkt. An der Oberfläche der Probe geben Mctallatomc aus dem Gitterverband Elektronen ab und werden oxidiert. Dabei gehen die entstehenden Metallisationen in Lösung, sodass ein Materialabtrag stattfindet. Da das Ätzmittel an den Korngrcnzcn besser angreifen kann, finden hier in der Regel mehr Reaktionen statt, als an den Kornflächen. Das Ansammeln von Verunreinigungen in den Korngrenzen verstärkt diesen Effekt. Außerdem oxidiert das Ätzmittel anders orientierte Gitterebenen und unterschiedliche Phasen verschieden stark, was allerdings in den meisten Fällen nur zu einem geringen Kontrast führt [17], fl].
Die Wirkung eines chemischen Ätzverfahrens hängt von verschiedenen Parametern ab, wie der Vorbehandlung der Proben, der Ätzzeit, der Temperatur und der Konzentration der Atzlösung. Die optimale Ätzzeit variiert bei verschiedenen Verfahren stark und liegt im Bereich von wenigen Sekunden bis zu mehreren Stunden. In einigen Fällen kann die Ätzzeit durch ein Aufheizen der Atzlösung verkürzt werden, da so die chemischen Reaktionen schneller ablaufen fl].
Ein spezielles chemisches Ätzverfahren ist das Anlaßätzen, hier wird die Probe ohne eine zusätzliche Atzlösung erhitzt. Die Körner an der Oberfläche der Probe bilden daraufhin infolge einer Oxidation in Abhängigkeit von Phase und Orientierung verschieden dicke Schichten aus. Als Oxidationsmittel dient in der Regel der Sauerstoff der Luft. Bei einer anschließenden Untersuchung unter dem Mikroskop besitzen die Kornflächen aufgrund der verschieden dicken Schichten unterschiedliche Farben [17].
Neben dem Anlaßätzen ist das Niederschlagsätzen ein weiteres Verfahren zum Atzen der Kornflächen. Hier gehen während des Atzvorganges Mctallatomc in Lösung und verbinden sieh anschließend mit Bestandteilen der Atzlösung zu unlöslichen Salzen, die sieh auf der Oberfläche der Probe nicdcrsehlagcn. Auf den Kornflächen bilden sieh unterschiedlich dicke Schichten aus, die unter Beleuchtung infolge der Interferenz an diesen dünnen Schichten in verschiedenen Farben wahrgenommen werden [17].
Elektrolytische Ätzverfahren
Neben der Zufuhr von Wärme können chemische Reaktionen auch durch elektrischen Gleichstrom ermöglicht oder unterstützt werden. Die Verbindung der anodisch geschaltete Probe mit der Kathode erfolgt über ein Ätzmittel, das als Elektrolytlösung fungiert. Diese Verfahren werden als elektrolytische oder anodische Ätzverfahren definiert. Bildet sieh auf der Probcnobcrfläehc zusätzlich eine Schicht aus unlöslichen Salzen aus (Niedersehlagsätzen), so wird das Verfahren als Anodisieren bezeichnet [17].
1Per Definition genau in der Mitte der Bandlücke (eine Ausnahme bilden dotierte Halbleiter).
[...]
[1] Die Neutronen des FRM II besitzen aufgrund ihres Energiespektrums die weltweit höchste relative biologische Wirksamkeit aller eingesetzten Neutronenstrahlen [7].
[2] Viele Polierrezepte finden sich beispielsweise auf der Internetseite der Firma Steuer s im Abschnitt App¬lication Notes
[1] Per Defnition genau in der Mitte der Bandlücke (eine Ausnahme bilden dotierte Halbleiter).
[2] Fester Phosphor kann als Weißer, Schwarzer, Violetter oder Roter Phosphor auftrct.cn [14].
[3] Für die Präparation sehr harter Materialien können stattdessen auch Diamanten eingesetzt werden [20].
[4] Eigenschaft eines Werkstoffes sich unter Belastung vor dem Bruch plastisch zu verformen [14].
[5] Die Opazität ist die Eigenschaft, von Materialien licht.undurchlässig zu sein [1].
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