¨Herstellung und Charakterisierung von Kohlenstoffnitridschichten¨ Technische Universitaet Chemnitz, Institut fuer Physik, Dissertation, 1998 (121 Seiten; 61 Abbildungen; 17 Tabellen; 148 Literaturzitate) Spaeth, Christian Mit einem neuartigen Abscheidungsverfahren, der gefilterten Vakuumbogenverdampfung von Graphit in einer Stickstoffatmosphaere, kombiniert mit einer Kaufman-Ionenquelle, wurden Kohlenstoffnitridschichten abgeschieden. Es wurde untersucht, wie sich die Wahl der Schichtabscheidungsparameter auf die Schichtstruktur und -eigenschaften der erzeugten Kohlenstoffnitridschichten auswirkt. Dies geschah insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von beta-C_3N_4. Trotz einer breiten Variation der Beschichtungsparameter konnte der Stickstoffgehalt in den Schichten nicht ueber 35 At.% angehoben werden. Die mit ERDA und Profilometrie ermittelte Dichte der Schichten reduziert sich von 2,9 g/cm^3 bei reinen Kohlenstoffschichten auf 2,0 g/cm^3 bei maximalem Stickstoffgehalt. Dies ist in Uebereinstimmung mit Ergebnissen aus der TEM-EELS-Spektrometrie. Die sigma-Plasmonenenergie verringert sich von 30,5 eV auf 26,0 eV und das pi-Plasmon gewinnt deutlich an Intensitaet hinzu. Das starke Anwachsen des Pi*-Vorpeaks an der C1s-Kante zeigte, dass die Verwendung von Stickstoff im Prozess nicht zu einer Stabilisierung von Kohlenstoff sp^3-Bindungen fuehrt, wie dies fuer die Bildung von beta-C_3N_4 notwendig waere. Aus TEM-Untersuchungen in Hochaufloesung und im Beugungsmodus ergab sich, dass das Material amorph ist. Jedoch liessen Raman-Untersuchungen eine Tendenz zur Ausbildung einer graphitischen Ordnung auf sehr kleiner Skala bei erhoehter Substrattemperatur und intensiviertem N-Ionenbeschuss vermuten. Durch die Messung der mittleren Zahl von naechsten Nachbarn, der mittleren Bindungslaenge und des mittleren Bindungswinkel mittels Neutronenbeugung konnte gezeigt werden, dass die diamantartige Nahordnung bei geringen Stickstoffgehalten in eine graphitartige Nahordnung bei hoeheren Stickstoffgehalten uebergeht. Diese Ergebnisse deuten auf ein durch sp^2-Bindungen dominiertes Netzwerk bei hohen Stickstoffgehalten hin. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass, zumindest mittels der ionenassistierten Vakuumbogenverdampfung, die Herstellung von beta-C_3N_4 nicht moeglich ist. Davon unabhaengig weisen amorphe CN_x -Schichten mit ca. 20 At.% Stickstoff interessante mechanische Eigenschaften auf. Bei einer Haerte vergleichbar zu c-BN sind sie aeusserst bruchzaeh.

Die Arbeit befaßt sich mit binären Legierungssystemen, die eine geringe Mischbarkeit der Komponenten im festen Zustand und eine Entmischungstendenz in der Schmelze aufweisen. Die Nahordnung in den binären Legierungsschmelzen Ag-Bi, Bi-Cu und Cu-Pb wird über einen großen Konzentrationsbereich mit Röntgenbeugung untersucht, die Nahordnung und die mittelreichweitige Ordnung in der Ga-Tl-Schmelze hingegen im kritischen Bereich mit Neutronenweitwinkel- und Kleinwinkelbeugung. Ag-Bi und Bi-Cu sind eutektische Systeme mit einem Wendepunkt in der Liquiduslinie, während die Systeme Cu-Pb und Ga-Tl monotektisch sind und eine Mischungslücke im flüssigen Bereich aufweisen. Die Arbeit stellt die verwendeten Beugungsmethoden vor und beschreibt die Röntgendiffraktometrie besonders ausführlich. Die erhaltenen Strukturfaktoren und Paarverteilungsfunktionen werden dargestellt und mit anderen Untersuchungen verglichen. Durch Modellierung werden charakteristische Eigenheiten der Entmischungssysteme wie die Aufspaltung des ersten Maximums, die negativen Faber-Ziman-Strukturfaktoren bei kleinen Q-Werten und die schwache Struktur bei großen Q-Werten qualitativ wiedergegeben. Im Fall der Bi-Cu Schmelze wird durch Kombination von Daten aus Röntgen- und Neutronenbeugung mit Reverse Monte Carlo Simulation ein neuer Satz von partiellen Strukturfaktoren ermittelt, bei dem die partiellen Strukturfaktoren S_{BiCu}(Q) für die Bi-Cu-Wechselwirkung über den gesamten Konzentrationsbereich zuverlässiger sind als zuvor. Mit der Kleinwinkelstreuung werden die Konzentrationsfluktuationen im kristischen Bereich der Ga-Tl-Legierungsschmelze quantitativ beschrieben. / (Short- and medium-range order in the binary liquid alloys : Ag-Bi, Bi-Cu, Cu-Pb, Ga-Tl) The short-range order (SRO) and the medium-range order (MRO) are investigated in binary alloys with a negligible solubility of the components in the solid state and a demixing tendency in the liquid state. Ag-Bi and Bi-Cu are eutectic systems with an inflexion point in the liquidus line; Cu-Pb and Ga-Tl are monotectic with a miscibility gap in the liquid state. The SRO in the Ag-Bi, Bi-Cu and Cu-Pb melts is studied by means of X-ray diffraction over a large concentration range, whereas wide-angle and small-angle neutron scattering are used for investigation of the SRO and MRO of the Ga-Tl melt near the critical concentration. The diffraction methods used in the work are presented. The treatment of the X-ray scattering data is discussed in detail. The obtained Faber-Ziman total structure factors S(Q) and pair correlation functions g(r) are plotted and compared with results from the literature. The peculiarities of S(Q) such as the splitting of the first maximum, the negative Faber-Ziman structure factors in the Q-range near 1 Å^-1, the vanishing structure oscillations for Q-values beyond the first maximum are described qualitatively with a simple demixing model. In the case of the Bi-Cu melt, the contrast between X-Ray and neutron diffraction is used to assess the partial structure factors with Reverse Monte Carlo simulation. It is shown that the MRO of the Ga-Tl melt at the critical concentration is well described with a correlation length in the Ornstein-Zernike theory.

In recent years, additive manufacturing (AM) has been one of the essential production techniques in the engineering community. Rapid integration of this technique drew a bead on the reliability of the microstructural and mechanical properties of engineering components. However, due to the nature of the layer-by-layer approach of AM, complex thermal gradients can cause inhomogeneous microstructure and significant residual stresses (RS). These, expectedly, can lead to a dramatic reduction in material performance. Therefore, especially for alloys like Ni-based Inconel 718 (IN718) used in critical applications, the characterization and later optimization of the DED process on material properties become essential. Nevertheless, empirical and conventional approaches are needed to improve, or new techniques should be introduced. In this regard, this study aims to understand better the evolution of the mechanical and microstructural properties of IN718 during and post-DED processes. For this purpose, an in-situ 2D neutron diffraction strain monitoring was carried out during the DED of IN718. The strain contributions originated from microstructural, thermal, and stress-based events during deposition and cooling periods at different positions concerning melt pool were investigated. Stabilization of different positions and processing regions on the sample as a function of the temperature profile, build height, and microstructural events are examined. Laboratory-scale microstructural studies were performed on wire-DED parts to observe the process parameter dependency of precipitation, composition, and morphology of microstructural constituents. Moreover, these findings were benchmarked with neutron powder diffraction measurements to relate the crystallographic behavior with macroscopic ones. Solidification under different cooling rates and heat treatments was carried out using the neutron powder diffraction technique to comprehend the precipitation dynamics and explain the microstructural events during and after the DED process. Laboratory scale and neutron diffraction tensile characterization tests were performed to observe and relate the mechanical response of wire- DED IN718 at different temperatures and microstructural conditions.:Keywords i Abstract iii Table of Contents v List of Figures ix List of Tables xvii List of Abbreviations xix Acknowledgments xxi Chapter 1: Introduction 1 1.1 Residual Stress in Polycrystalline Materials 1 1.1.1 Residual Stress Determination 3 1.2 Neutron Scattering 5 1.2.1 Neutron-Matter Interaction 6 1.2.2 Strain Measurement by Neutron Diffraction 7 1.2.3 SALSA Neutron Strain Diffractometer 14 1.2.4 Neutron Powder Diffraction 16 1.2.5 D20 Neutron Powder Diffractometer 17 1.2.6 Peak Analysis in Diffraction Measurements 18 1.3 Nickel Superalloys 22 1.3.1 Physical Metallurgy of IN718 23 1.4 Metal Additive Manufacturing 33 1.4.1 Direct Energy Deposition (DED) 34 1.4.2 Process Monitoring in Metal AM 36 1.5 Context and Aim of the Study 40 Chapter 2: Materials and Experimental Methods 43 2.1 IN718 Feedstock Material 43 2.2 Fabrication Process by wire-DED Method 43 2.2.1 Post Processing of IN718 via Solution Treatment and Aging 47 2.2.2 Preparation of Tensile Specimens 48 2.3 Microstructural Characterization 49 2.3.1 Electron Microscopy Studies 49 2.3.2 Differential Scanning Calorimetry Analysis 50 2.3.3 Lattice Parameter Evolution of IN718 with Temperature 52 2.3.3.1 Data Reduction for Phase Analysis 54 2.4 Mechanical Characterization 57 2.4.1 Neutron Diffraction 2D Strain Monitoring during IN718 wire-DED 57 2.4.1.1 Temperature Data Treatment and Processing Regions 61 2.4.1.2 Neutron Data Acquisition and Analysis 64 2.4.2 Residual Stress Mapping of Samples for Mechanical Characterization 69 2.4.3 Macro-scale Tensile Characterization at Room and High Temperatures 71 2.4.4 Neutron Diffraction Tensile Characterization Testing 72 2.4.4.1 Neutron Data Processing Procedure 77 Chapter 3: Results and Discussion 79 3.1 Microstructural Characterization of Feedstock Wire 79 3.1.1 Metallography of IN718 Feedstock Wire 79 3.1.2 Simulation of Phase Precipitations in IN718 80 3.1.3 Thermal Stability of IN718 Feedstock Wire 82 3.1.3.1 Differential Scanning Calorimetry 82 3.1.3.2 Lattice Parameter Evolution during Melting & Solidification 83 3.1.4 Discussion 91 3.2 Microstructure of IN718 wire-DED Parts 94 3.2.1 IN718-DED Cylindrical Walls 94 3.2.2 IN718 -DED Prisms 103 3.2.3 Discussion 108 3.3 Heat Treatments of IN718 Wire-DED Parts 112 3.3.1 Time and Temperature Impact into Laves Phase Dissolution 112 3.3.2 Lattice Parameter Evolution of IN718 during Solution and Aging Treatments 115 3.3.3 Discussion 118 3.4 Mechanical Characterization of IN718 wire-DED 122 3.4.1 Neutron Diffraction 2D Strain Monitoring during IN718 wire-DED 122 3.4.1.1 Bragg Angle Evolution 122 3.4.1.2 Evolution of Bragg Angle Position in MP Processing Region 123 3.4.1.3 Evolution of Bragg Angle Position in the NMP Processing Region 126 3.4.1.4 Evolution of Bragg Angle Position in FF Processing Region 129 3.4.2 Discussion 131 3.4.2.1 Comparison of Equilibrium State of IN718 through In-situ and Ex-situ Investigations 135 3.4.3 Reference (d0) Approaches for Strain Calculations 136 3.4.3.1 Stable processing regime reference 136 3.4.3.2 Neutron powder diffraction reference 137 3.4.4 Evolution of Strain Contributions during IN718 wire-DED by Using Stable Reference (d0) Approach 140 3.4.4.1 Strain Evolution in MP Processing Region 141 3.4.4.2 Strain Evolution in NMP Processing Region 143 3.4.4.3 Strain Evolution in FF Processing Region 145 3.4.5 Evolution of Strain Contributions during IN718 wire-DED by Using Neutron Powder Diffraction Reference d0 Approach 148 3.4.6 Discussion 151 3.4.7 Tensile Characterization 153 3.4.7.1 Macro-scale Tensile Behavior 153 3.4.7.2 Residual Stress State in In-situ Tensile Test Specimens 155 3.4.7.3 Lattice-scale Tensile Behavior 158 3.4.8 Discussion 169 3.4.8.1 Residual Stress State prior to Tensile Test Characterization 169 3.4.8.2 Macro-scale Tensile Behavior of IN718 at Room and High Temperatures 169 3.4.8.3 Lattice-dependent Behavior As-built and Direct-aged Condition as a function of Applied Stresses 175 Chapter 4: Summary Discussion 182 4.1 Microstructural Considerations 182 4.1.1 Comparison of Materials and Extrapolation of Properties 182 4.2 Thermal Stability of IN718 Feedstock Wire and DED Parts 183 4.2.1 Matrix, Phase Precipitation, and CTE Evolution as a Function of Temperature 183 4.2.2 Heat Treatments of IN718 DED materials 184 4.3 Fabrication and Neutron Strain Monitoring Considerations 185 4.3.1 Temperature Gradients and Regions of Interest 185 4.3.2 In-situ Neutron Monitoring of Bragg Angle Evolution of γ-matrix 185 4.3.3 2D Strain Evolution 186 4.4 Tensile Mechanical Behaviour at Room and High-Temperature Considerations 189 4.4.1 Macro-scale Characterization 189 4.4.2 Lattice-scale Neutron Diffraction Characterization 189 Chapter 5: Conclusions 191 Bibliography 196 / In den letzten Jahren hat sich die additive Fertigung (AM) zu einer der wichtigsten Produktionstechniken in der Ingenieurwelt entwickelt. Die schnelle Integration dieser Technik hat die Zuverlässigkeit der mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften von technischen Komponenten deutlich verbessert. Aufgrund des schichtweisen Ansatzes der AM können jedoch komplexe thermische Gradienten eine inhomogene Mikrostruktur und erhebliche Eigenspannungen (RS) verursachen. Diese können erwartungsgemäß zu einer dramatischen Verringerung der Materialleistung führen. Daher sind insbesondere bei Legierungen wie Inconel 718 (IN718) auf Ni-Basis, die in kritischen Anwendungen eingesetzt werden, die Charakterisierung und spätere Optimierung des DED-Prozesses auf die Materialeigenschaften von entscheidender Bedeutung. Dennoch müssen empirische und konventionelle Ansätze verbessert werden, oder es sollten neue Techniken eingeführt werden. In diesem Zusammenhang zielt diese Studie darauf ab, die Entwicklung der mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften von IN718 während und nach dem DED-Prozess besser zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde während des DED-Prozesses von IN718 eine in-situ 2D-Neutronenbeugungsmessung der Dehnung durchgeführt. Die Dehnungsbeiträge, die von mikrostrukturellen, thermischen und spannungsbasierten Ereignissen während der Abscheidungs- und Abkühlungsperioden an verschiedenen Positionen des Schmelzbades herrühren, wurden untersucht. Die Stabilisierung verschiedener Positionen und Verarbeitungsbereiche auf der Probe als Funktion des Temperaturprofils, der Aufschmelzhöhe und der mikrostrukturellen Ereignisse wurde untersucht. Im Labormaßstab wurden mikrostrukturelle Studien an Draht-DED-Teilen durchgeführt, um die Abhängigkeit der Prozessparameter von der Ausscheidung, Zusammensetzung und Morphologie der mikrostrukturellen Bestandteile zu beobachten. Darüber hinaus wurden diese Ergebnisse mit Neutronenpulverbeugungsmessungen verglichen, um das kristallographische Verhalten mit dem makroskopischen Verhalten in Beziehung zu setzen. Die Erstarrung unter verschiedenen Abkühlungsraten und Wärmebehandlungen wurde mit Hilfe der Neutronenpulverbeugungstechnik durchgeführt, um die Ausscheidungsdynamik zu verstehen und die mikrostrukturellen Ereignisse während und nach dem DED-Prozess zu erklären. Es wurden Zugversuche im Labormaßstab und mit Neutronenbeugung durchgeführt, um die mechanische Reaktion von IN718 bei verschiedenen Temperaturen und Mikrostrukturbedingungen zu beobachten und in Beziehung zu setzen.:Keywords i Abstract iii Table of Contents v List of Figures ix List of Tables xvii List of Abbreviations xix Acknowledgments xxi Chapter 1: Introduction 1 1.1 Residual Stress in Polycrystalline Materials 1 1.1.1 Residual Stress Determination 3 1.2 Neutron Scattering 5 1.2.1 Neutron-Matter Interaction 6 1.2.2 Strain Measurement by Neutron Diffraction 7 1.2.3 SALSA Neutron Strain Diffractometer 14 1.2.4 Neutron Powder Diffraction 16 1.2.5 D20 Neutron Powder Diffractometer 17 1.2.6 Peak Analysis in Diffraction Measurements 18 1.3 Nickel Superalloys 22 1.3.1 Physical Metallurgy of IN718 23 1.4 Metal Additive Manufacturing 33 1.4.1 Direct Energy Deposition (DED) 34 1.4.2 Process Monitoring in Metal AM 36 1.5 Context and Aim of the Study 40 Chapter 2: Materials and Experimental Methods 43 2.1 IN718 Feedstock Material 43 2.2 Fabrication Process by wire-DED Method 43 2.2.1 Post Processing of IN718 via Solution Treatment and Aging 47 2.2.2 Preparation of Tensile Specimens 48 2.3 Microstructural Characterization 49 2.3.1 Electron Microscopy Studies 49 2.3.2 Differential Scanning Calorimetry Analysis 50 2.3.3 Lattice Parameter Evolution of IN718 with Temperature 52 2.3.3.1 Data Reduction for Phase Analysis 54 2.4 Mechanical Characterization 57 2.4.1 Neutron Diffraction 2D Strain Monitoring during IN718 wire-DED 57 2.4.1.1 Temperature Data Treatment and Processing Regions 61 2.4.1.2 Neutron Data Acquisition and Analysis 64 2.4.2 Residual Stress Mapping of Samples for Mechanical Characterization 69 2.4.3 Macro-scale Tensile Characterization at Room and High Temperatures 71 2.4.4 Neutron Diffraction Tensile Characterization Testing 72 2.4.4.1 Neutron Data Processing Procedure 77 Chapter 3: Results and Discussion 79 3.1 Microstructural Characterization of Feedstock Wire 79 3.1.1 Metallography of IN718 Feedstock Wire 79 3.1.2 Simulation of Phase Precipitations in IN718 80 3.1.3 Thermal Stability of IN718 Feedstock Wire 82 3.1.3.1 Differential Scanning Calorimetry 82 3.1.3.2 Lattice Parameter Evolution during Melting & Solidification 83 3.1.4 Discussion 91 3.2 Microstructure of IN718 wire-DED Parts 94 3.2.1 IN718-DED Cylindrical Walls 94 3.2.2 IN718 -DED Prisms 103 3.2.3 Discussion 108 3.3 Heat Treatments of IN718 Wire-DED Parts 112 3.3.1 Time and Temperature Impact into Laves Phase Dissolution 112 3.3.2 Lattice Parameter Evolution of IN718 during Solution and Aging Treatments 115 3.3.3 Discussion 118 3.4 Mechanical Characterization of IN718 wire-DED 122 3.4.1 Neutron Diffraction 2D Strain Monitoring during IN718 wire-DED 122 3.4.1.1 Bragg Angle Evolution 122 3.4.1.2 Evolution of Bragg Angle Position in MP Processing Region 123 3.4.1.3 Evolution of Bragg Angle Position in the NMP Processing Region 126 3.4.1.4 Evolution of Bragg Angle Position in FF Processing Region 129 3.4.2 Discussion 131 3.4.2.1 Comparison of Equilibrium State of IN718 through In-situ and Ex-situ Investigations 135 3.4.3 Reference (d0) Approaches for Strain Calculations 136 3.4.3.1 Stable processing regime reference 136 3.4.3.2 Neutron powder diffraction reference 137 3.4.4 Evolution of Strain Contributions during IN718 wire-DED by Using Stable Reference (d0) Approach 140 3.4.4.1 Strain Evolution in MP Processing Region 141 3.4.4.2 Strain Evolution in NMP Processing Region 143 3.4.4.3 Strain Evolution in FF Processing Region 145 3.4.5 Evolution of Strain Contributions during IN718 wire-DED by Using Neutron Powder Diffraction Reference d0 Approach 148 3.4.6 Discussion 151 3.4.7 Tensile Characterization 153 3.4.7.1 Macro-scale Tensile Behavior 153 3.4.7.2 Residual Stress State in In-situ Tensile Test Specimens 155 3.4.7.3 Lattice-scale Tensile Behavior 158 3.4.8 Discussion 169 3.4.8.1 Residual Stress State prior to Tensile Test Characterization 169 3.4.8.2 Macro-scale Tensile Behavior of IN718 at Room and High Temperatures 169 3.4.8.3 Lattice-dependent Behavior As-built and Direct-aged Condition as a function of Applied Stresses 175 Chapter 4: Summary Discussion 182 4.1 Microstructural Considerations 182 4.1.1 Comparison of Materials and Extrapolation of Properties 182 4.2 Thermal Stability of IN718 Feedstock Wire and DED Parts 183 4.2.1 Matrix, Phase Precipitation, and CTE Evolution as a Function of Temperature 183 4.2.2 Heat Treatments of IN718 DED materials 184 4.3 Fabrication and Neutron Strain Monitoring Considerations 185 4.3.1 Temperature Gradients and Regions of Interest 185 4.3.2 In-situ Neutron Monitoring of Bragg Angle Evolution of γ-matrix 185 4.3.3 2D Strain Evolution 186 4.4 Tensile Mechanical Behaviour at Room and High-Temperature Considerations 189 4.4.1 Macro-scale Characterization 189 4.4.2 Lattice-scale Neutron Diffraction Characterization 189 Chapter 5: Conclusions 191 Bibliography 196

Die intermetallischen Verbindungen der RCu2-Serie (R = Seltenerd-Elemente) zeigen eine ungewöhnliche Vielfalt von magnetischen Strukturen in Abhängigkeit von Temperatur und äußerem Magnetfeld. Diese Vielfalt ist verursacht durch das Wechselspiel von indirekter Austauschwechselwirkung und anisotropem kristallelektrischen Feld. Die RCu2-Verbindungen kristallisieren in der CeCu2-Struktur, welche als orthorhombische Verzerrung der hexagonalen AlB2-Struktur verstanden werden kann. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, RCu2-Verbindungen mit magnetischer Röntgenbeugung bzw. resonanter magnetischer Röntgenstreuung zu untersuchen, teilweise ergänzt durch Neutronenbeugungsexperimente. Dem zur Neutronenbeugung komplementären Charakter der Röntgenmethoden entspricht es, dass dabei spezielle Details der magnetischen Strukturen untersucht werden. Zusätzlich zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften und Strukturen und zur Suche nach den Ursachen für die auftretenden Phasenübergänge werden magnetoelastische Kopplungen in der pseudohexagonalen Substanzgruppe betrachtet (R = Nd, Gd, Tb, Dy). Der Zusammenhang von kristalliner und magnetischer Struktur wird auch unter Variation und Mischung der Elemente auf dem Seltenerd-Platz erforscht (Tb(1-x)DyxCu2, Tb(1-x)PrxCu2, Dy(1-x)YxCu2). Für die Untersuchung des elementspezifischen Magnetismus bei Vorhandensein mehrerer magnetischer Atomsorten in einem Kristall ist dabei die resonante magnetische Röntgenstreuung die einzig verfügbare Methode. Im Tb0.5Dy0.5Cu2 wird dabei ein unerwartetes Verhalten im Temperaturverlauf der magnetischen Strukturen beobachtet. Ergebnisse aus ergänzenden Neutronenbeugungsexperimenten werden ebenfalls vorgestellt und mittels Rietveld-Verfeinerung der kristallinen und magnetischen Strukturen ausgewertet. Im Ergebnis der Arbeit sind die untersuchten magnetischen Strukturen näher bekannt. Magnetoelastische Wechselwirkungen werden unter Verwendung von Beugungsmethoden neuartig gemessen. / The intermetallic compounds of the RCu2 series (R = rare earths) show a large variety of magnetic structures depending on temperature and external field, mainly caused by the interplay of an indirect exchange interaction and the anisotropy of the crystalline electric field. The RCu2 compounds crystallize in the CeCu2 structure, which can be described as an orthorhombic distortion of the hexagonal AlB2 structure. The aim of the present work is the investigation of RCu2 compounds by using resonant and nonresonant magnetic x-ray scattering, supplemented by neutron scattering. Because of the complementarity of magnetic x-ray and neutron scattering this investigation reveals new details of the magnetic structures of the studied compounds. Magnetic properties and magnetic structures are investigated as well as magnetic phase transitions and magneto-elastic coupling in the pseudohexagonal compounds. The correlation between the crystallographic structure and the magnetic structures is studied for different rare earths (R = Nd, Gd, Tb, Dy) but also for partial substitution of magnetic rare earths by magnetic or nonmagnetic ions on the rare earth site (Tb(1-x)DyxCu2, Tb(1-x)PrxCu2, Dy(1-x)YxCu2). Resonant magnetic x-ray scattering is the only method available to investigate the element specific magnetism in crystals with different magnetic ions. By the study of the Tb resonance and the Dy resonance on Tb0.5Dy0.5Cu2 an unexpected developement of the magnetic structures with temperature is observed. The results of supplementary neutron scattering experiments are presented and analyzed by Rietveld refinement of the crystallographic and magnetic structures, mainly focussed on TbCu2. In summary, new insights into the different magnetic structures of RCu2 compounds are gained. The strong magneto-elastic coupling is studied by different scattering methods applied to this problem for the first time.

Die intermetallischen Verbindungen der RCu2-Serie (R = Seltenerd-Elemente) zeigen eine ungewöhnliche Vielfalt von magnetischen Strukturen in Abhängigkeit von Temperatur und äußerem Magnetfeld. Diese Vielfalt ist verursacht durch das Wechselspiel von indirekter Austauschwechselwirkung und anisotropem kristallelektrischen Feld. Die RCu2-Verbindungen kristallisieren in der CeCu2-Struktur, welche als orthorhombische Verzerrung der hexagonalen AlB2-Struktur verstanden werden kann. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, RCu2-Verbindungen mit magnetischer Röntgenbeugung bzw. resonanter magnetischer Röntgenstreuung zu untersuchen, teilweise ergänzt durch Neutronenbeugungsexperimente. Dem zur Neutronenbeugung komplementären Charakter der Röntgenmethoden entspricht es, dass dabei spezielle Details der magnetischen Strukturen untersucht werden. Zusätzlich zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften und Strukturen und zur Suche nach den Ursachen für die auftretenden Phasenübergänge werden magnetoelastische Kopplungen in der pseudohexagonalen Substanzgruppe betrachtet (R = Nd, Gd, Tb, Dy). Der Zusammenhang von kristalliner und magnetischer Struktur wird auch unter Variation und Mischung der Elemente auf dem Seltenerd-Platz erforscht (Tb(1-x)DyxCu2, Tb(1-x)PrxCu2, Dy(1-x)YxCu2). Für die Untersuchung des elementspezifischen Magnetismus bei Vorhandensein mehrerer magnetischer Atomsorten in einem Kristall ist dabei die resonante magnetische Röntgenstreuung die einzig verfügbare Methode. Im Tb0.5Dy0.5Cu2 wird dabei ein unerwartetes Verhalten im Temperaturverlauf der magnetischen Strukturen beobachtet. Ergebnisse aus ergänzenden Neutronenbeugungsexperimenten werden ebenfalls vorgestellt und mittels Rietveld-Verfeinerung der kristallinen und magnetischen Strukturen ausgewertet. Im Ergebnis der Arbeit sind die untersuchten magnetischen Strukturen näher bekannt. Magnetoelastische Wechselwirkungen werden unter Verwendung von Beugungsmethoden neuartig gemessen. / The intermetallic compounds of the RCu2 series (R = rare earths) show a large variety of magnetic structures depending on temperature and external field, mainly caused by the interplay of an indirect exchange interaction and the anisotropy of the crystalline electric field. The RCu2 compounds crystallize in the CeCu2 structure, which can be described as an orthorhombic distortion of the hexagonal AlB2 structure. The aim of the present work is the investigation of RCu2 compounds by using resonant and nonresonant magnetic x-ray scattering, supplemented by neutron scattering. Because of the complementarity of magnetic x-ray and neutron scattering this investigation reveals new details of the magnetic structures of the studied compounds. Magnetic properties and magnetic structures are investigated as well as magnetic phase transitions and magneto-elastic coupling in the pseudohexagonal compounds. The correlation between the crystallographic structure and the magnetic structures is studied for different rare earths (R = Nd, Gd, Tb, Dy) but also for partial substitution of magnetic rare earths by magnetic or nonmagnetic ions on the rare earth site (Tb(1-x)DyxCu2, Tb(1-x)PrxCu2, Dy(1-x)YxCu2). Resonant magnetic x-ray scattering is the only method available to investigate the element specific magnetism in crystals with different magnetic ions. By the study of the Tb resonance and the Dy resonance on Tb0.5Dy0.5Cu2 an unexpected developement of the magnetic structures with temperature is observed. The results of supplementary neutron scattering experiments are presented and analyzed by Rietveld refinement of the crystallographic and magnetic structures, mainly focussed on TbCu2. In summary, new insights into the different magnetic structures of RCu2 compounds are gained. The strong magneto-elastic coupling is studied by different scattering methods applied to this problem for the first time.