Phasenselektion und Keimbildung an einer ebenen Phasengrenzfläche mit Sprüngen im chemischen Potential

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Rettenmayr (†)
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328636876

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel der des Projekts war es, Kriterien für Phasenselektion und Keimbildung an einer ebenen Phasengrenzfläche mit anfänglichen Sprüngen im chemischen Potential, d.h. entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht, zu bestimmen. In den binären Modellsystemen Ni-Al und Cu-Zn wurde an Diffusionspaaren aus – im Hinblick auf deren Zusammensetzung – weit auseinanderliegenden Phasen Diffusionsexperimente durchgeführt und Frühstadien der diffusiven Phasenumwandlung an den vorliegenden Phasengrenzflächen hochaufgelöst charakterisiert. Aus den experimentellen Ergebnissen werden der Einfluss und das Zusammenwirken von thermodynamischen Triebkräften und kinetischen Koeffizienten auf die Keimbildung und Phasenselektion eruiert. Es wurden folgende Hauptziele erreicht und (zum Teil unerwartete) Herausforderungen erfolgreich bewältigt: Etablierung der experimentellen Methode, bei der die Phasen und die Ausgangskonzentrationen der einzelnen Diffusionspartner, die Glühtemperaturen und der Druck auf der Probe variiert werden. Durch die experimentelle Separation der Einflussfaktoren werden die bei der Keimbildung konkurrierenden Phasen wie die sich an den Phasengrenzflächen ausbildenden Konzentrationsgradienten gezielt und unabhängig voneinander eingestellt. Es ist gelungen, Phasengrenzflächen frei von residualen Oxidschichten herzustellen und damit auch deren Einfluss auf Phasenbildung zu charakterisieren. • Kenntnis des Einflusses der Grenzflächeneigenschaften und natürlicher residualer Oxidschichten an der Fügefläche auf die Bildung und das Wachstum der neu entstehenden Phase anhand eindeutiger Phasenidentifikation der Keime und statistischer kristallographischer Evaluation der neu ausgebildeten Grenzflächen über energiedispersive Röntgenspektroskopie im Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM-EDX) und Elektronenrückstreubeugung (EBSD) auf das Vorliegen energetisch günstiger Konfigurationen (spezielle Orientierungsbeziehungen und Kohärenz). • Lateral hochaufgelöste Quantifizierung der sich vor der Keimbildung an den vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernten Phasengrenzflächen aufbauenden Übersättigung mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie im Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM-EDX) (Auflösung <5nm). • Kenntnis der Zusammenhänge zwischen den vorliegenden treibenden Kräften und der stattfindenden Phasenselektion durch Quantifizierung der maximal möglichen treibenden Kräfte aus den experimentell ermittelten Übersättigungen und den zugehörigen Gibbs- Energiekurven (G-X-Kurven).

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Convectionless directional solidification in an extremely confined sample geometry. Materialia, 8, 100457.
  Reuther, Klemens; Seyring, Martin; Schmidt, Markus A. & Rettenmayr, Markus
  
• Structure of Ni(OH)2 intermediates determines the efficiency of NiO-based photocathodes – a case study using novel mesoporous NiO nanostars. RSC Advances, 9(67), 39422-39433.
  Wahyuono, Ruri Agung; Dellith, Andrea; Schmidt, Christa; Dellith, Jan; Ignaszak, Anna; Seyring, Martin; Rettenmayr, Markus; Fize, Jennifer; Artero, Vincent; Chavarot-Kerlidou, Murielle & Dietzek, Benjamin
  
• Bridging the gap between high temperature and low temperature oxidation of 316 L. Corrosion Science, 175, 108884.
  Wonneberger, Robert; Lippmann, Stephanie; Abendroth, Barbara; Carlsson, Anna; Seyring, Martin; Rettenmayr, Markus & Undisz, Andreas
  
• Copper Thiophosphate (Cu3PS4) as Electrode for Sodium‐Ion Batteries with Ether Electrolyte. Advanced Functional Materials, 30(19).
  Brehm, Wolfgang; Santhosha, Aggunda L.; Zhang, Zhenggang; Neumann, Christof; Turchanin, Andrey; Martin, Andréa; Pinna, Nicola; Seyring, Martin; Rettenmayr, Markus; Buchheim, Johannes R. & Adelhelm, Philipp
  
• Mechanochemically synthesized Cu3P/C composites as a conversion electrode for Li-ion and Na-ion batteries in different electrolytes. Journal of Power Sources Advances, 6, 100031.
  Brehm, Wolfgang; Santhosha, Aggunda L.; Zhang, Zhenggang; Neumann, Christof; Turchanin, Andrey; Seyring, Martin; Rettenmayr, Markus; Buchheim, Johannes R. & Adelhelm, Philipp
  
• Early oxidation stages of a Co-Cr-Fe-Mn-Ni-Si complex concentrated alloy with Cr, Mn, and Si contents matching those of 316L stainless steel. Corrosion Science, 190, 109642.
  Apell, Jonathan; Wonneberger, Robert; Seyring, Martin; Stöcker, Hartmut; Rettenmayr, Markus & Undisz, Andreas
  
• Impact of crystallography at Ni/NiAl interfaces on the nucleation of Ni3Al. Acta Materialia, 208, 116713.
  Seyring, M. & Rettenmayr, M.
  
• Influence of natural oxide layers at Ni/NiAl interfaces on Ni3Al phase formation. Materials Characterization, 174, 111032.
  Seyring, M.; Wanierke, F.; Kaaden, T.; Lippmann, S. & Rettenmayr, M.
  
• Formation of a nanoscale two-phase microstructure in Cu–Zn( Al) samples with macroscopic concentration gradient. Materials Characterization, 192, 112229.
  Walnsch, Alexander; Kaaden, Tobias; Fischer, Peter D.B.; Motylenko, Mykhaylo; Seyring, Martin; Leineweber, Andreas & Lippmann, Stephanie