Atomistische Untersuchung der Grenzflächenenergie in Nickelbasis-Superlegierungen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Martin Bäker
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437044479

Hochtemperaturbelastete Bauteile, beispielsweise für Turbinen, werden oft aus Nickelbasis-Superlegierungen hergestellt. Diese erhalten ihre Festigkeit durch Teilchen, die in diesen Werkstoffen ausgeschieden werden. Da große Bauteile geschmiedet werden, dürfen die festigkeitssteigernden Teilchen bei Schmiedetemperatur noch nicht vorhanden sein, sondern sich erst bei niedrigeren Temperaturen ausscheiden. Weitere Ausscheidungen (die Niob-haltige Delta- und Titan-haltige Eta-Phase) müssen dagegen schon bei Schmiedetemperatur vorliegen, da sich ansonsten die Mikrostruktur der Legierung ungünstig verändert. Will man die Einsatztemperatur der Legierungen erhöhen, um den Wirkungsgrad der Turbine zu steigern, müssen entsprechend auch die Eigenschaften der Delta- und Eta-Phase angepasst werden.Die Ausscheidung von Teilchen der Delta- und Eta-Phase wird unter anderen durch die Energie der Grenzfläche zwischen diesen Phasen und der Nickel-Matrix bestimmt. Ziel dieses Antrags ist es, die Grenzflächenenergie dieser Teilchen sowie die der sogenannten Gamma"-Phase zu berechnen und zu untersuchen, wie sich andere Legierungselemente auf diese Grenzfläche auswirken. Damit soll es ermöglicht werden, besser zu verstehen, wie sich diese Teilchen ausscheiden und wie sie sich auch bei höheren Schmiedetemperaturen stabil halten lassen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden atomistische Computersimulationen verwendet. Die Methode der Dichtefunktionaltheorie erlaubt es dabei, die Energien beliebiger Atomanordnungen zu untersuchen. Sie kann allerdings nur für wenige hundert Atome eingesetzt werden. Zusätzlich wird deshalb die sogenannte klassische Molekulardynamik verwendet, mit der auch sehr große Atomanzahlen simuliert werden können. Diese Methode benötigt allerdings empirische Eingangsdaten und erlaubt deshalb nicht die Untersuchung beliebiger Legierungselemente. Im Zusammenspiel beider Methoden soll die Grenzflächenenergie unter verschiedenen Gesichtspunkten untersucht werden. Die Untersuchungsergebnisse werden zusätzlich durch gezielte experimentelle Untersuchungen abgesichert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen