Methode zur Ermittlung von Diffusionsdaten in ternären und hochkomponentigen Legierungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Hannes Engelhardt
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314517859

Im beantragten Projekt wird eine neuartige Methode erarbeitet, mit der die Bestimmung kinetischer Daten in ternären und hochkomponentigen Legierungen in Abhängigkeit von der Temperatur mit vertretbarem experimentellem Aufwand möglich wird. Die Methode besteht aus einer Kombination aus der Variation eines Experiments der gerichteten Erstarrung, einem Diffusionsexperiment im Temperaturgradienten, der Berechnung von Diffusioinsvorgängen und einem Optimierungsalgorithmus. Die kfz-Al Phase im Legierungssystem Al-Mg-Zn wird als Modellmaterial verwendet. Zunächst wird eine Probe erzeugt werden, die gezielt eingestellte variable Konzentrationsgradienten über eine ausgedehnte Probenlänge aufweist. Dazu wird während der gerichteten Erstarrung im stationären Zustand die Erstarrungsgeschwindigkeit wiederholt abrupt geändert, was definierte Konzentrationsfluktuationen mit nicht zu großen Konzentrationsintervallen erzeugt. Die so erzeugten Proben werden im Temperaturgradienten geglüht, um Diffusionsvorgänge mit lokal unterschiedlicher Kinetik zu bewirken. Bei der Auswertung des Diffusionsexperimentes kann für jedes einzelne Experiment die Konzentrationsabhängigkeit vernachlässigt und die Temperaturabhängigkeit isoliert betrachtet werden. Aus dem Diffusionsexperiment werden atomare Mobilitäten über ein ausgedehntes Temperaturintervall ausgewertet werden. Dazu wird die Diffusionsgleichung für ternäre Legierungen gelöst und eine Optimierungsroutine implementiert. Ausgehend von den Konzentrationsprofilen in den erzeugten Gradientenproben wird die Veränderung der Profile während der Diffusionsglühung auf der Basis der temperaturabhängigen Mobilitätsfunktionen der Elemente der Legierung berechnet. Der zu erarbeitende Optimierungsalgorithmus passt diese Mobilitätsfunktionen so an, dass die absolute Abweichung zwischen den Konzentrationsprofilen aus Diffusionsexperiment und Diffusionsrechnung minimal werden. Durch die bei Diffusion in mehrkomponentigen Legierungen entstehenden Interaktionseffekte zwischen den Gradienten der chemischen Potentiale der einzelnen Elemente bilden sich in den Diffusionsprofilen spezielle Merkmale wie beispielsweise lokal steiler werdende Gradienten aus. Diese Merkmale liefern detaillierte Informationen zu den einzelnen Mobilitätsfunktionen. Die derzeitig immense Aufwand für Aufbau oder Erweiterung von Mobilitätsdatenbanken wird durch die in dem beantragten Projekt erarbeitete Methode drastisch reduziert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Kooperationspartner: Dr. Christian Bocker; Professor Dr. Yong Du