Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Struktur und den Eigenschaften von Ti-Ta-X-Y und Co-Ni-Ga-X Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen - Synchrotron- und Neutronenbeugung und atomistische Modellierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozentin Dr. Jutta Rogal; Professor Dr. Wolfgang W. Schmahl
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 200999873

Im TP 3 wird ein grundlegendes Verständnis der Phasenbildung in Ti-Ta basierten HT-FGL auf atomistischer Ebene und der kristallographischen Mechanismen des Formgedächtniseffekts in Ti-Ta- und Co-Ni-Ga-Legierungen aufgebaut. Die Erkenntnisse tragen dazu bei i) Ti-Ta-basierte Legierungen und geeignete thermomechanische Behandlungen mit stabilem Formgedächtniseffekt bei hoher Ms Temperatur und ii) Co-Ni-Ga-Legierungen mit zyklischer Stabilität der superelastischen Dehnung bei hohen Temperaturen zu identifizieren. Hierzu werden Rechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie und hochauflösende Beugungsexperimente kombiniert. Wesentliche Aspekte der 2. Förderperiode sind die Ausweitung der theoretischen Modelle auf die Phasenstabilität ternärer Systeme Ti-Ta-X (X=Al, Sn, Zr), die Einbeziehung finiter Temperaturen und ungeordneter Systeme sowie die Betrachtung von Diffusionsprozessen. Für ungeordnete Systeme ist die Special Quasirandom Structures Methode avisiert, für die Berechnung der Diffusionsbarrieren die Nudged Elastic Band-Methode. Die Phononen-Beiträge zur Freien Energie werden durch quasiharmonische Näherung ab initio oder molekulardynamische Simulation erhalten. Die Beugungsexperimente bestimmen Strukturdaten und Bildungsprozesse mit Neutronen- und Synchrotronstrahlung und betrachten in der 2. Förderperiode ternäre wie auch quaternäre Systeme Ti-Ta-(X-Y), mit X,Y = Al, Sn, Zr gemäß der Legierungsentwicklung in TP1, und führen Untersuchungen der kristallographischen Umwandlungs-mechanismen im Co-Ni-Ga-System durch. Durch die Kombination von Simulation und Experiment soll die Wirkungsweise von Legierungszusätzen auf Struktur und Thermodynamik stabiler bzw. metastabiler Phasen geklärt und damit die Kinetik der Phasenbildung bzw. -Inhibierung in den Entmischungsprozessen verstanden werden. Dies betrifft im Ti-Ta-(X-Y)-System (i) die neu entdeckte nano-beta-Phase und ihre Beziehung zu den sich bildenden weiteren beta-Phasen, (ii) die omega-Phase und der Einfluss der Legierungselemente X,Y auf deren Struktur, Stabilität bzw. Bildungskinetik und (iii) die Bildung von alpha-Ti neben mehreren beta-Phasen mit verschiedenem Ta-Gehalt, die man bei Ti-reichen Systemen und bei den Kriechversuchen in TP2 beobachtet. Ein weiteres Ziel ist die Messung der kristallographischen Parameter der martensitischen Umwandlungsmechanismen in Ti-Ta und Co-Ni-Ga Systemen. Mit den Beugungsmethoden wird der Einfluss von vorteilhaften Mikrostrukturen, die mit Synthesen bzw. thermomechanischen Behandlungen zur Verbesserung der HT-FGL-Eigenschaften eingestellt werden, auf die Martensitvarianten und Eigenspannungen untersucht. Hier sind die Bamboo-Struktur von Co-Ni-Ga Bikristallen aus TP5 sowie Produkte aus Umformungsverfahren von Ti-Ta-X-Y aus in TP1/TP4 und Co-Ni-Ga aus TP5 von Interesse. TP2 führt komplementäre TEM-Untersuchungen von Phasen und Mikrostrukturen durch und wird durch die theoretischen Überlegungen und Beugungsuntersuchungen unterstützt.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 1766: Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen - Von den Grundlagen zur Anwendung
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Ralf Drautz