Ab initio basierte Berechnung der Stabilität ausgewählter TCP-Ausscheidungen in Stählen: Temperatur- und Grenzflächeneffekte

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Thomas Hammerschmidt; Dr. Tilmann Hickel
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289654611

Die mechanischen Eigenschaften und die Langzeitbeständigkeit von Werkstoffen für Hochtemperatur-Anwendungen im Energie- und Transportsektor werden stark durch Ausscheidungen von sekundären Phasen beeinflusst. In vielen technologisch wichtigen Legierungen wie dem Fe-Nb-System spielen insbesondere topologisch dicht-gepackte (engl.: TCP) Ausscheidungen eine zentrale Rolle. Obwohl diese Phasen häufig experimentell gut identifizierbar sind, ist ihre Simulation entweder auf empirische Modelle oder auf Stabilität der einzelnen Phasen bei T=0K beschränkt. Dadurch ist eine zuverlässige Vorhersage, unter welchen Bedingungen welche Ausscheidungsphasen auftreten können, derzeit häufig nicht möglich. Im hier vorliegenden Projekt werden ab initio basierte Simulationsmethoden verwendet, um die vollständigen thermodynamischen und mikrostrukturellen Randbedingungen für die Bildung dieser komplexen Ausscheidungsphasen zu verstehen, zu berechnen und zu optimieren. Dafür werden einerseits alle Entropiebeiträge zur freien Formationsenergie bis zum Schmelzpunkt mit hoher Genauigkeit bestimmt. Andererseits werden aber auch die Grenzflächen und die Wechselwirkung von Ausscheidungen mit Mikrostrukturelementen des Matrixmaterials betrachtet. Im Unterschied zu früheren Ansätzen wird das Wechselspiel dieser beiden Aspekte bei der Simulation der Ausscheidungsbildung realistisch abgebildet. Der Forschungsansatz des Projekts macht die Verwendung einer Hierarchie von Methoden notwendig, die in einer Zusammenarbeit von zwei Arbeitsgruppen am MPIE Düsseldorf und ICAMS Bochum umgesetzt werden. Dichtefunktionaltheorie wird für die akkurate Berücksichtigung von Anregungsprozessen bei endlichen Temperaturen benötigt, wohingegen die mikrostrukturellen Eigenschaften nur durch systematische Vergröberung hin zu vereinfachten Beschreibungen der elektronischen Struktur erreicht werden können. Durch die Verwendung von Bond-Order-Potentialen wird so die Simulation des Gefüges aus Ausscheidung und Matrixumgebung möglich. Die Untersuchungen im vorliegenden Projekt sind auf die Bildung von Laves-Phasen im System Fe-Nb fokussiert. Es handelt sich dabei um ein System mit hohem Anwendungspotential, umfangreicher experimenteller Charakterisierung, aber beschränktem Verständnis der Ausscheidungen. Mit dem vorliegenden Projekt soll geklärt werden, welche TCP-Phasen unter welchen Umständen auftreten, wie deren Stabilität durch weitere Legierungselemente beeinflusst wird, welche Ausscheidungsmorphologien thermodynamisch erwartet werden können und welche Rolle Korngrenzen spielen. Neben der direkten Interpretation aktueller experimenteller Beobachtungen zu Laves Phasen in Fe-Nb bahnt dies den Weg zum Verständnis der Ausscheidung von TCP Phasen in verschiedenen Materialsystemen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen