Diffusion in Hoch Entropie Legierungen

• Antragsteller: Professor Dr. Sergiy Divinski; Professor Dr. Ingo Steinbach
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314231017

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des vorliegenden Vorschlags wurde die echte Tracerdiffusion in FCC-Hochentropie-Legierungen (HEAs) erstmalig mit der Radiotracer-Technik gemessen. Darüber hinaus wurde eine so genannte „Augmented Tracer-Interdiffusion Couple-Technik“ entwickelt. Die experimentellen Daten wurden in einer erweiterten Tracer-Diffusionsdatenbank auf der Grundlage des Paar- Diffusions-Konzepts zusammengestellt, das im Rahmen des Antrags ausgearbeitet und weiterentwickelt wurde. In der ersten Förderperiode lag der Schwerpunkt auf der Etablierung der experimentellen und theoretischen Techniken, umfangreichen Messungen der atomaren Mobilitäten (der Tracer-Diffusionskoeffizienten) sowie der allgemeinen Datenbankentwicklung. Als Ergebnis wurden insgesamt 7 Arbeiten veröffentlicht, die bereits hochgradig zitiert werden (insgesamt bisher mehr als 600 Mal nach Scopus). Die Berichte über die Tracerdiffusivitäten aller Elemente in CoCrFeNi- und CoCrFeMnNi-Legierungen werden bereits von der Community als Basisinformationen über die Elementmobilität in FCC CoCrFeMnNi HEAs verwendet. Während der zweiten Förderperiode haben wir systematisch die erweiterte Tracer-Interdiffusionspaar-Methode untersucht, die verschiedene Situationen berücksichtigt, die in realen Legierungen mit mehreren Hauptelementen auftreten können, einschließlich vollständiger Mischbarkeit, komplexer Interdiffusionspfade und starker volumetrischer Veränderungen. Gleichzeitig muss die Modellbeschreibung der Diffusion in Mehrkomponenten-HEAs erweitert werden, um Leerstellen als separate Spezies, Ordnungsvorgänge mit dem Auftreten verschiedener Untergitter, den Einfluss von interstitiell gelösten Atomen und molare Volumenänderungen entlang des Interdiffusionspfades zu berücksichtigen. Die Ausarbeitung der Methoden für die experimentelle Analyse und die theoretische Beschreibung erfolgt unter Anwendung eines kombinierten Experiment-Modellierungsansatzes auf der Grundlage der CALPHAD-Beschreibung und des entwickelten paarweisen Diffusionsmodells. Als Ergebnis wurden zuverlässige kinetische Datenbanken erstellt, die eine adäquate Vorhersage der Diffusionsphänomene in Legierungen mit mehreren Hauptelementen ermöglichen, darunter sowohl HEAs als auch Legierungen mit komplexer Zusammensetzung (CCAs). Darüber hinaus wurde eine automatische Bewertungssoftware für atomare Mobilitäten entwickelt und mit der neuen Mobilitätsdatenbank kombiniert. Es wurde eine enge und fruchtbare Zusammenarbeit mit Partnern im Rahmen des SPP 2006 CCA-HEA etabliert (unsere Aktivitäten wurden als assoziiertes Projekt aufgenommen), die die Übertragung unserer Erkenntnisse und Methoden auf andere Materialklassen und insbesondere auf BCC HEAs und ausgewählte CCAs ermöglicht. Das Projekt war ein wichtiger Meilenstein sowohl für experimentelle Untersuchungen der Diffusion in Hochentropielegierungen als auch für die Entwicklung angemessener und zuverlässiger Mobilitätsdatenbanken für den allgemeinen Gebrauch.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Ni tracer diffusion in CoCrFeNi and CoCrFeMnNi high entropy alloys. Journal of Alloys and Compounds, 688, 994-1001.
  Vaidya, M.; Trubel, S.; Murty, B.S.; Wilde, G. & Divinski, S.V.
  
• Radioactive isotopes reveal a non sluggish kinetics of grain boundary diffusion in high entropy alloys. Scientific Reports, 7(1).
  Vaidya, M.; Pradeep, K. G.; Murty, B. S.; Wilde, G. & Divinski, S. V.
  
• A Mystery of "Sluggish Diffusion" in High-Entropy Alloys: The Truth or a Myth?. Diffusion Foundations, 17, 69-104.
  Divinski, Sergiy V.; Pokoev, Alexander V.; Esakkiraja, Neelamegan & Paul, Aloke
  
• Bulk tracer diffusion in CoCrFeNi and CoCrFeMnNi high entropy alloys. Acta Materialia, 146, 211-224.
  Vaidya, M.; Pradeep, K.G.; Murty, B.S.; Wilde, G. & Divinski, S.V.
  
• Development of Single-Crystal Ni-Base Superalloys Based on Multi-criteria Numerical Optimization and Efficient Use of Refractory Elements. Metallurgical and Materials Transactions A, 49(9), 4134-4145.
  Markl, M.; Müller, A.; Ritter, N.; Hofmeister, M.; Naujoks, D.; Schaar, H.; Abrahams, K.; Frenzel, J.; Subramanyam, A. P. A.; Ludwig, A.; Pfetzing-Micklich, J.; Hammerschmidt, T.; Drautz, R.; Steinbach, I.; Rettig, R.; Singer, R. F. & Körner, C.
  
• Tracer diffusion in single crystalline CoCrFeNi and CoCrFeMnNi high entropy alloys. Journal of Materials Research, 33(19), 3184-3191.
  Gaertner, Daniel; Kottke, Josua; Wilde, Gerhard; Divinski, Sergiy V. & Chumlyakov, Yury
  
• Concentration-dependent atomic mobilities in FCC CoCrFeMnNi high-entropy alloys. Acta Materialia, 166, 357-370.
  Gaertner, Daniel; Abrahams, Katrin; Kottke, Josua; Esin, Vladimir A.; Steinbach, Ingo; Wilde, Gerhard & Divinski, Sergiy V.
  
• Analyzing the ‘non-equilibrium state’ of grain boundaries in additively manufactured high-entropy CoCrFeMnNi alloy using tracer diffusion measurements. Journal of Alloys and Compounds, 844, 155757.
  Choi, Nuri; Kulitckii, Vladislav; Kottke, Josua; Tas, Bengü; Choe, Jungho; Yu, Ji Hun; Yang, Sangsun; Park, Joo Hyun; Lee, Jai Sung; Wilde, Gerhard & Divinski, Sergiy V.
  
• Grain boundary diffusion in CoCrFeMnNi high entropy alloy: Kinetic hints towards a phase decomposition. Acta Materialia, 195, 304-316.
  Glienke, Marcel; Vaidya, Mayur; Gururaj, K.; Daum, Lydia; Tas, Bengü; Rogal, Lukasz; Pradeep, K.G.; Divinski, Sergiy V. & Wilde, Gerhard
  
• Impact of interstitial carbon on self-diffusion in CoCrFeMnNi high entropy alloys. Scripta Materialia, 188, 264-268.
  Lukianova, O.A.; Rao, Z.; Kulitckii, V.; Li, Z.; Wilde, G. & Divinski, S.V.
  
• Tracer diffusion in single crystalline CoCrFeNi and CoCrFeMnNi high-entropy alloys: Kinetic hints towards a low-temperature phase instability of the solid-solution?. Scripta Materialia, 187, 57-62.
  Gaertner, Daniel; Kottke, Josua; Chumlyakov, Yury; Hergemöller, Fabian; Wilde, Gerhard & Divinski, Sergiy V.
  
• Automated assessment of a kinetic database for fcc Co–Cr–Fe–Mn–Ni high entropy alloys. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 29(5), 055007.
  Abrahams, Katrin; Zomorodpoosh, Setareh; Khorasgani, Ahmadreza Riyahi; Roslyakova, Irina; Steinbach, Ingo & Kundin, Julia
  
• Composition dependence of tracer diffusion coefficients in Fe–Ga alloys: A case study by a tracer-diffusion couple method. Acta Materialia, 203, 116446.
  Muralikrishna, G.M.; Tas, B.; Esakkiraja, N.; Esin, V.A.; Kumar, K.C. Hari; Golovin, I.S.; Belova, I.V.; Murch, G.E.; Paul, A. & Divinski, S.V.
  
• Pair-exchange diffusion model for multicomponent alloys revisited. Materialia, 16, 101047.
  Kundin, Julia; Steinbach, Ingo; Abrahams, Katrin & Divinski, Sergiy V.
  
• Tracer diffusion in the σ phase of the CoCrFeMnNi system. Acta Materialia, 203, 116498.
  Zhang, Jingfeng; Muralikrishna, G. Mohan; Asabre, Alex; Kalchev, Yordan; Müller, Julian; Butz, Benjamin; Hilke, Sven; Rösner, Harald; Laplanche, Guillaume; Divinski, Sergiy V. & Wilde, Gerhard
  
• Model for non-equilibrium vacancy diffusion applied to study the Kirkendall effect in high-entropy alloys. Acta Materialia, 232, 117966.
  Xia, Cheng-Hui; Kundin, Julia; Steinbach, Ingo & Divinski, Sergiy
  
• Reassessment of mobility parameters for Cantor High Entropy Alloys through an automated procedure. Calphad, 79, 102498.
  Khorasgani, Ahmadreza Riyahi; Kundin, Julia; Divinski, Sergiy V. & Steinbach, Ingo
  
• Recent Advances in Understanding Diffusion in Multiprincipal Element Systems. Annual Review of Materials Research, 52(1), 383-409.
  Dash, Anuj; Paul, Aloke; Sen, Sandipan; Divinski, Sergiy; Kundin, Julia; Steinbach, Ingo; Grabowski, Blazej & Zhang, Xi
  
• Self-diffusion in carbon-alloyed CoCrFeMnNi high entropy alloys. Acta Materialia, 237, 118136.
  Lukianova, O.A.; Kulitckii, V.; Rao, Z.; Li, Z.; Wilde, G. & Divinski, S.V.
  
• Zr diffusion in BCC refractory high entropy alloys: A case of ‘non-sluggish’ diffusion behavior. Acta Materialia, 233, 117970.
  Zhang, Jingfeng; Gadelmeier, Christian; Sen, Sandipan; Wang, Rui; Zhang, Xi; Zhong, Yu; Glatzel, Uwe; Grabowski, Blazej; Wilde, Gerhard & Divinski, Sergiy V.
  
• “Non-equilibrium” grain boundaries in additively manufactured CoCrFeMnNi high-entropy alloy: Enhanced diffusion and strong segregation. Journal of Applied Physics, 132(24).
  Choi, Nuri; Taheriniya, Shabnam; Yang, Sangsun; Esin, Vladimir A.; Yu, Ji Hun; Lee, Jai-Sung; Wilde, Gerhard & Divinski, Sergiy V.
  
• Tracer diffusion under a concentration gradient: A pathway for a consistent development of mobility databases in multicomponent alloys. Journal of Alloys and Compounds, 930, 167301.
  Gaertner, Daniel; Kundin, Julia; Esakkiraja, Neelamegan; Berndt, Jasper; Durand, Adeline; Kottke, Josua; Klemme, Stephan; Laplanche, Guillaume; Eggeler, Gunther; Wilde, Gerhard; Paul, Aloke; Steinbach, Ingo & Divinski, Sergiy V.