Untersuchung des fraktalen abnormalen Kornwachstums auf atomarer Ebene unter Verwendung von APT

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Carl Emil Krill III, Ph.D.; Professorin Dr. Astrid Pundt
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461632490

Obwohl aktuelle Modelle das normale Kornwachstum in herkömmlichen Polykristallen erfolgreich erklären können, ist unser Verständnis des Kornwachstums in nanokristallinen (nc) Materialien noch rudimentär. Im Nanometerbereich ist die Vergröberung oft abnormal, wobei einige Körner um Größenordnungen größer werden als die Nachbarn in der umgebenden nc Matrix. In Proben von nc Pd90Au10, die durch Inertgaskondensation hergestellt wurden, ist die Mikrostrukturvergröberung doppelt abnormal, da die schnell wachsenden Körner „Tentakel“ in die Matrix senden, die zuerst nahegelegene Körner umgeben und diese dann aufzehren. Der Umfang der resultierenden Körner wird durch eine fraktale Dimension von etwa 1,2 (anstelle des erwarteten Wertes nahe eins) gut beschrieben.Der weithin akzeptierte krümmungsbasierte Mechanismus für die Migration von Korngrenzen (KG) ist mit einem solchen „fraktalen“ Wachstum nicht kompatibel, aber selbst „gewöhnliches“ abnormales Wachstum – wie es bei technischen Legierungen wie Fe-Si-Stählen beobachtet wird – bleibt ein ungelöstes Rätsel. Ein kürzlich veröffentlichter Ansatz von Hwang et al. ist der erste, der diese unterschiedlichen Formen abnormalen Wachstums unter dem einzigen Mechanismus der „Festkörperbenetzung“ zusammenfasst. Hiernach könnte die fraktale Migration von KGn eine extreme Manifestation der Benetzung darstellen, was nc PdAu zu einem idealen Modellsystem macht.Da das Kornwachstum in nc Pd normal verläuft, spekulieren wir, dass die fraktale Migration aus thermodynamischen und/oder kinetischen Effekten resultiert, die mit der Segregation an KGn verbunden sind. Diese Effekte könnten das krümmungsbedingte Wachstum der Matrixkörner unterdrücken und gleichzeitig die Festkörperbenetzung fördern. Der Schlüsselschritt beim Testen dieser Hypothese besteht darin, die Au-Konzentration in der Nähe von fraktal wachsenden Körnern zu messen und die Mengen der Au-Segregation bei fraktalen/Matrix- und Matrix/Matrix-KGn zu vergleichen. Die Atomsondentomographie (APT) ist für diese Aufgabe prädestiniert. Sie kann lokale Zusammensetzungen in einer 3D-Probe mit einer räumlichen Auflösung quantifizieren, die mit der des interatomaren Abstandes vergleichbar ist.In diesem Projekt wird die Konzentration von Au-Atomen in nc PdAu variiert, um die fraktale Dimension zu maximieren. Einige Proben werden zudem mit Wasserstoff (H) legiert, was eine Trennung der thermodynamischen und kinetischen Aspekten der KG-Migration ermöglichen soll. FIB erlaubt die Extraktion interessanter KG-Bereiche, die mittels APT analysiert und mit elektronenmikroskopischen Untersuchungen korreliert werden. Gemessene Au-Konzentrationen werden in ein Phasenfeldmodell eingegeben, welches Festkörperbenetzung und krümmungsgetriebenes Wachstum simuliert. Die Morphologie der simulierten Körner wird gegen Experimente validiert und mit den lokalen Studien zur Au- und H-Segregation kombiniert, um den Ursprung des fraktalen abnormalen Kornwachstums zu ermitteln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen