Kopplung der Diffusion und Plastizität bei selektiver Oxidation von Metalllegierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses gemeinsamen ANR-DFG Projekts war es, die Auswirkung der plastischen Verformung auf die Diffusion von Cr in reinem Ni und in Ni-Cr-Legierungen zu untersuchen. Hierbei wurde ein Temperaturbereich zugrunde gelegt, der auch niedrige Temperaturen einschließt. Konkret kamen bei der Untersuchung zwei einander ergänzende Techniken zum Einsatz: die Radiotracer-Methode (UM, Deutschland) sowie die SIMS-Technik (Mines, Frankreich). Die Festkörperdiffusion ist eines der Schlüsselphänomene in vielen zeit- und temperaturabhängigen metallurgischen Prozessen, die entweder bei der Herstellung, dem Schweißen, oder der thermomechanischen Behandlung auftreten. Bei niedrigen Temperaturen (< 500 °C) werden beschleunigte diffusionsbedingte Phänomene in industriellen Legierungen beobachtet, deren Kinetik jedoch oft nicht durch eine Extrapolation der Hochtemperaturdaten erklärt werden kann. Im Rahmen des DIPLOX-Projekts wurde vorgeschlagen, die bisherigen Studien zu den Auswirkungen der plastischen Verformung auf die Cr-Diffusion in Ni zu erweitern und sich dabei insbesondere auf die Korngrenzendiffusion zu konzentrieren. Hierbei sollte zudem die Komplementarität der Radiotracerund SIMS-Techniken genutzt werden, um die gemessenen Diffusionskoeffizienten in einen Oxidationskinetik-Code zu integrieren und so die Auswirkungen der plastischen Verformung bei der selektiven Cr-Oxidation zu berücksichtigen. Das Projekt zielte darauf ab, (i) Informationen über die Beziehung zwischen der Korngrenzen-Struktur und den Korngrenzen-Diffusionsraten bereitzustellen, (ii) direkte experimentelle Schätzungen des Cr-Segregationsfaktors an den Ni- Hochwinkel-Korngrenzen zu liefern, (iii) die Auswirkungen einer geringen und starken plastischen Verformung auf die Volumen- und Korngrenzen-Diffusion und ihre Folgen für die Legierungsoxidation zu untersuchen. Das Münsteraner Team konzentrierte sich in erster Linie auf die Radiotracer-Messungen der Cr-Diffusion in ausgewählten speziellen Ni-Korngrenzen (unter Verwendung eines Bikristalls) und in verformten Ni-Polykristallen. Das Projekt wurde erfolgreich durchgeführt. Darüber hinaus hat sich eine enge Zusammenarbeit zwischen den deutschen und französischen Teams etabliert, die bereits zu vier gemeinsamen Veröffentlichungen geführt hat, wobei zwei weitere gemeinsame Arbeiten derzeit in Vorbereitung sind. Eine vielseitige Untersuchung (Tracer-Diffusion, Elektronenmikroskopie, DFT-Berechnungen, MD-Simulation) der Cr-Diffusion in der Ni∑11(110)- Korngrenze bestätigte eine Strukturheterogenität der Grenzfläche. Die Kombination der beiden Methoden der Diffusionsanalyse ermöglichte beispiellose Einblicke in die Hierarchie der Diffusionspfade in stark verformten Materialien und einen direkten Nachweis der Koexistenz von Korngrenzen sowohl in relaxierten als auch in nicht-Gleichgewicht-Zuständen nach starker plastischer Verformung. Darüber hinaus wurden die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für die Korngrenzen in Mehrkomponenten-Legierungen mit noch nie dagewesenen Details ausgearbeitet. Dies beinhaltet Erkenntnisse zum komplizierten Zusammenspiel von Segregation, Diffusion, elastischen Spannungen, Phasenseparation und Ausscheidungsbildung. Insgesamt lieferte das DIPLOX-Projekt neue grundlegende Ergebnisse über die Kopplung zwischen Mikrostruktur, Dehnung, Korngrenzendiffusion und Oxidation. Die Ergebnisse des Projekts tragen zu einem besseren Verständnis der beschleunigten Degradationsmechanismen bei, die an industriellen Bauteilen bei niedrigen Temperaturen beobachtet werden und die mit beschleunigten Diffusionsprozessen zusammenhängen. Insbesondere die große Variabilität der Korngrenz-Diffusionskoeffizienten in Abhängigkeit von ihrem "metallurgischen Zustand" erklärt die ungleichmäßige Oxidationsfront, die bei der Arbeit an Materialien mit Oberflächenzuständen, die für industrielle Bedingungen repräsentativer sind, beobachtet wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Effect of Equal Channel and Dynamic Channel Angular Pressing of Ni and Further Heat Treatment on its Structure and Grain Boundary Diffusion. Defect and Diffusion Forum, 383, 96-102.
Popov, Vladimir V.; Reglitz, Gerrit; Shorohov, Evgeniy V.; Popova, E.N.; Stolbovsky, Alexey V.; Divinski, Sergiy V. & Wilde, Gerhard
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Grain Boundaries and Diffusion Phenomena in Severely Deformed Materials. MATERIALS TRANSACTIONS, 60(7), 1302-1315.
Wilde, Gerhard & Divinski, Sergiy
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Grain boundary diffusion and grain boundary structures of a Ni-Cr-Fe-alloy: Evidences for grain boundary phase transitions. Acta Materialia, 195, 501-518.
Rajeshwari, K. Sai; Sankaran, S.; Hari, Kumar K.C.; Rösner, Harald; Peterlechner, Martin; Esin, Vladimir A.; Divinski, Sergiy & Wilde, Gerhard
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Techniques of Tracer Diffusion Measurements in Metals, Alloys and Compounds. Diffusion Foundations, 29, 31-73.
Gärtner, Daniel; Belkacemi, Lisa; Esin, Vladimir A.; Jomard, François; Fedotov, Andrey A.; Schell, Juliana; Osinskaya, Julia V.; Pokoev, Alexander V.; Duhamel, Cécilie; Paul, Aloke & Divinski, Sergiy V.
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Intrinsic heterogeneity of grain boundary states in ultrafine-grained Ni: A cross-scale study by SIMS and radiotracer analyses. Materialia, 22, 101397.
Belkacemi, L.T.; Vaidya, M.; Sevlikar, S.; Hassanpour, A.; Jomard, F.; Irmer, D.; Guerre, C.; Martinelli, L.; Duhamel, C.; Wilde, G.; Esin, V.A. & Divinski, S.V.
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Nanomaterials by severe plastic deformation: review of historical developments and recent advances. Materials Research Letters, 10(4), 163-256.
Edalati, Kaveh; Bachmaier, Andrea; Beloshenko, Victor A.; Beygelzimer, Yan; Blank, Vladimir D.; Botta, Walter J.; Bryła, Krzysztof; Čížek, Jakub; Divinski, Sergiy; Enikeev, Nariman A.; Estrin, Yuri; Faraji, Ghader; Figueiredo, Roberto B.; Fuji, Masayoshi; Furuta, Tadahiko; Grosdidier, Thierry; Gubicza, Jenő; Hohenwarter, Anton; Horita, Zenji ... & Zhu, Xinkun
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“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.
