Keimbildung in Metallen und Metalllegierungen – Ein atomarer Einblick

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Jutta Rogal
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262052203

Metalle und Metalllegierungen bilden die grundlegenden Bausteine verschiedener Klassen komplexer Materialien, die eine weite Anwendung im Transport- und Energiebereich finden. Dabei wird ein Verständnis makroskopischer Materialeigenschaften basierend auf Erkenntnissen auf der atomaren Ebene immer wichtiger, um auch zukünftig neue Materialen für spezielle Anwendungsbereiche entwicklen zu können. Ein Einblick in die atomaren Prozesse beim Erstarren und Schmelzen kann hierbei grundlegend zu einem besseren Verstehen des Materialverhaltens unter Herstellungs- und Anwendungsbedingungen beitragen.Die bevorzugte Bildung bestimmter Polymorphe und die Entwicklung der Mikrostruktur werden zu einem Großteil bereits während der initialen Keimbildung in fest-flüssig Phasenübergängen festgelegt. Die atomare Beschreibung solcher Nukleationsprozesse stellt auch weiterhin eine besondere Herausforderung sowohl experimentell als auch theoretisch dar, ist allerdings entscheidend um die atomaren Mechanismen der Keimbildung und des Wachstums zu verstehen. Daher werden in dem geplanten Forschungsprojekt spezielle Simulationsmethoden, insbesondere Transition Path Sampling, angewandt, um Nukleationsprozesse während des Schmelzens und Erstarrens zu untersuchen. Der Fokus liegt auf der Beschreibung von Nickel und Nickel-Legierungen, die die Basis einer Anzahl technologisch relevanter Materialen bilden. Basierend auf den Forschungsergebnissen der ersten Förderphase ergeben sich drei Kernbereiche für die Fragestellungen dieses Forschungsvorhabens: die Erkenntnisse zu reinen Metallen (Ni) werden auf binäre Legierungen (Ni-Al) ausgeweitet. Hierbei ist von besonderem Interesse, wie sich die chemische Ordnung auf die Nukleationsmechanismen auswirkt und mit welchen Ordnungsparametern sich diese beschreiben lassen. Als zweiter Punkt wird der Einfluss von Defekten auf die Vorstrukturierung in der flüssigen Phase untersucht, insbesondere wie diese das Wachstum bestimmter Polymorphe begünstigen. Zusammen mit Variationen der Druck- und Temperaturbedingungen könnte dies die Grundlage für eine gezielte Herstellung einzelner Kristallstrukturen bilden. Ein dritter Aspekt ist die Ausweitung der Untersuchungen auf heterogene Nukleationsprozesse während des Schmelzens, insbesondere an überhitzten Korngrenzen, wodurch eine direkter Vergleich zwischen atomaren Prozessen beim Schmelzen und Erstarren ermöglicht wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Ralf Drautz