Diffusion in Hochentropielegierungen: Entwicklung und Anwendung eines kombinierten Experiment-Ab-initio-Ansatzes
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eine zuverlässige Kontrolle der Phasendekomposition und der Kriecheigenschaften von Hochentropie-Legierungen (HEAs) stellt enorme Herausforderungen sowohl von der theoretischen als auch der experimentellen Seite dar, insbesondere im Hinblick auf die hohe Zahl an Legierungselementen und der vermeintlich langsamen Diffusion in diesen Legierungen. Das Projekt DIFFINITIO ist diese Herausforderungen mittels der Entwicklung und Anwendung eines integrierten Experiment-ab initio Ansatzes zur Bestimmung von genauen Diffusionskoeffizienten in hexagonal dichtgepackten (HCP) HEAs als Beispielstudie erfolgreich angegangen. Das Projekt hat die führende und einzigartige Expertise der Antragsteller im Bereich der Radiotracer Diffusionsmessung und ab initio Berechnungen bei finiten Temperaturen vereinigt. Als Resultat haben wir fundamentale Einblicke in die Diffusionseigenschaften von HEAs erlangt. Wir haben unerwartete Phänomene entdeckt, speziell die „anti-träge" Selbstdiffusion und die „ultraschnelle" Diffusion von gelösten Elementen in diesen HCP HEAs. Zum ersten Mal konnten die experimentellen Resultate unzweideutig bestätigen, dass Diffusion in HEAs nicht notwendigerweise träge ist, wie es in den Anfängen der HEA Forschung zumeist auf willkürlicher Basis vertreten wurde. Unsere Ergebnisse veranlassen einen Paradigmenwechsel, speziell in Hinsicht auf die Abwesenheit von jeglicher Trägheit (sluggishness) von Diffusion in kubisch-raumzentrierten HEAs, die ebenfalls im Rahmen dieses Projektes entdeckt wurde. Die ab initio basierten Berechnungen offenbarten den Einfluss von lokalen atomaren Verzerrungen auf die relativen Diffusionsraten in Vielkomponenten-Legierungen. Die theoretischen Vorhersagen wurden durch Messungen von Sc Diffusion in diesen Legierungen bestätigt. Darüber hinaus, wurde das Konzept der Al-Substitution durch Zn in Al- Legierungen intensiv mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) Rechnungen untersucht und das Verständnis von Diffusionseigenschaften aller Legierungselemente in HCP HEAs vertieft. DFT basierte Berechnungen von Barrieren wurden durchgeführt und clusterexpansions-basierte kinetic Monte Carlo Simulationen erlaubten eine direkte Quantifizierung der Korrelations- und kurzreichweitigen Ordnungseffekte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Phenomenon of ultra-fast tracer diffusion of Co in HCP high entropy alloys. Acta Materialia, 196, 220-230.
Vaidya, Mayur; Sen, Sandipan; Zhang, Xi; Frommeyer, Lena; Rogal, Łukasz; Sankaran, S.; Grabowski, Blazej; Wilde, Gerhard & Divinski, Sergiy V.
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Ab initio prediction of vacancy energetics in HCP Al-Hf-Sc-Ti-Zr high entropy alloys and the subsystems. Acta Materialia, 227, 117677.
Zhang, Xi; Divinski, Sergiy V. & Grabowski, Blazej
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High-Entropy Alloys: Diffusion. Encyclopedia of Materials: Metals and Alloys (2022), 402-416. American Geophysical Union (AGU).
Divinski, Sergiy V.; Lukianova, Olga A.; Wilde, Gerhard; Dash, Anuj; Esakkiraja, Neelamegan & Paul, Aloke
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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
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Zr diffusion in BCC refractory high entropy alloys: A case of ‘non-sluggish’ diffusion behavior. Acta Materialia, 233, 117970.
Grabowski, and Xi Zhang
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Does Zn mimic diffusion of Al in the HCP Al-Sc-Hf-Ti-Zr high entropy alloys?. Scripta Materialia, 229, 115376.
Sen, Sandipan; Zhang, Xi; Rogal, Lukasz; Wilde, Gerhard; Grabowski, Blazej & Divinski, Sergiy V.
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‘Anti-sluggish’ Ti diffusion in HCP high-entropy alloys: Chemical complexity vs. lattice distortions. Scripta Materialia, 224, 115117.
Sen, Sandipan; Zhang, Xi; Rogal, Lukasz; Wilde, Gerhard; Grabowski, Blazej & Divinski, Sergiy V.
