Diffusion in Hochentropielegierungen: Entwicklung und Anwendung eines kombinierten Experiment-Ab-initio-Ansatzes

• Antragsteller: Professor Dr. Sergiy Divinski; Professor Dr. Blazej Grabowski
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397350460

Eine zuverlässige Kontrolle der Phasenentmischung und der Kriecheigenschaften von Hochentropielegierungen (HEAs) stellt, im Hinblick auf die hohe Zahl der Elemente und die vermutlich langsame Diffusion, eine enorme Herausforderung dar. Das vorliegende Projekt DIFFINITIO stellt sich dieser Herausforderung aus einer grundlegenden Perspektive heraus entgegen, speziell durch die Entwicklung und Anwendung eines kombinierten Experiment-Ab initio Ansatzes zur Bestimmung von genauen Diffusionskoeffizienten in HEAs. Der Antrag stützt sich auf die führende und einzigartige Expertise der Antragsteller in den Bereichen der Radiotracer-Diffusionsmessung und ab initio Rechnungen bei finiten Temperaturen. Mit den Untersuchungen werden fundamentale Einblicke in die zugrundeliegenden atomistischen Mechanismen der Diffusion in HEAs gewährt, der Einfluss der Multi-Elementumgebung quantifiziert und postulierte Konzepte, wie das der verlangsamten Diffusion, hinterfragt.Wir konzentrieren uns auf ein spezielles, nicht-magnetisches Materialsystem, den AlHfScTiZr HEA. AlHfScTiZr kristallisiert auf dem hcp Gitter und kann eine bestimmte Ordnung mit Bildung verschiedener Untergitter abhängig von der Al Konzentration entwickeln. Die Diffusionsraten aller Legierungselemente (mit Zn als Al-Substitut) sollen experimentell als Funktion der Temperatur bestimmt und mittels DFT-basierter Barrierberechnungen und Cluster-Expansion-basierter kinetic Monte Carlo Simulation evaluiert werden. So wird ein direkter Zugang zur Quantifizierung der Korrelations- und Nahordnungseffekte geboten. Die Bildung der Untergitter ist eine faszinierende Eigenschaft, weil sie stark die Selbstdiffusion und die Diffusion von Zwischengitteratomen beeinflussen kann. Vorläufige Untersuchungen zeigen deutlich, dass kleine Übergangselemente wie Ni ultraschnell durch die AlHfScTiZr Legierung diffundieren. Ihre Diffusionsraten sind um vier Größenordnungen höher als die für Selbstdiffusion erwarteten. Das ist kontraintuitiv und der Mechanismus der ultraschnellen Diffusion ist bisher noch nicht richtig verstanden. Als Teil des Antrags schlagen wir vor, auf dem Phänomen der ultraschnellen Diffusion aufbauend, eine einzigartige und extrem sensitive experimentelle Methode zu entwickeln, um die frühen Stadien der Phasenentmischung und/oder der Bildung und Entwicklung der Ordnung zugänglich zu machen.Mit der Vollendung des DIFFINITIO Projektes erwarten wir einen fundamentalen Fortschritt in dem Verständnis des HEA Konzeptes, insbesondere aufgrund des aktuellen Mangels an zuverlässigen Diffusionsdaten für diese Materialklasse in der Literatur.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jörg Neugebauer; Professor Dr. Lukasz Rogal; Professor Dr.-Ing. Gerhard Wilde