Theoretische und Phasenfeldmodellierung der chemischen Entmischung und Gefügebildung bei der schnellen Erstarrung von Nickelbasis-Superlegierungen

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Galenko
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448319030

Bei der Beschreibung Gefügebildung in rasch erstarrten Materialien beruhen theoretische Vorhersagen zur Bildung metastabiler Phasen auf Modellen, die Abweichungen vom lokalen thermodynamischen Gleichgewicht enthalten. Es wird erwartet, dass solche Modelle ein neues Verständnis von den Mechanismen der Gefügebildung generieren, das die Entwicklung fortschrittlicher Verarbeitungstechnologien ermöglicht. Im vorliegenden Projektvorschlag ist geplant, sowohl Mikroseigerungen als auch das Primärgefüge von rasch erstarrten Nickelbasis-Superlegierungen zu modellieren, die sich durch herausragende mechanische Eigenschaften bei erhöhten Einsatztemperaturen auszeichnen. Die konsistente Modellierung der raschen Erstarrung erfolgt auf der Grundlage von experimentell bestimmten Daten des Gefüges und der Mikroseigerungen von der Legierung Inconel 718, welche von chinesischen Partnern ermittelten werden. Es ist geplant, (i) Gibbs-Energien aus CALPHAD- und mesoskopischen Modellen zu verknüpfen; (ii) Relaxationszeiten (für Diffusionsströme, Flussgradienten und Phasenfelder) und kinetische Parameter von Modellen für scharfe und diffuse Grenzflächen (Grenzflächenmobilität, Diffusionskoeffizienten und Wachstumskinetikkoeffizienten) abzuschätzen; (iii) gradientenstabile Berechnungsschemata und Algorithmen zur Vorhersage von rasch erstarrten Gefügen zu entwickeln; (iv) anhand spezieller Tests, wie dem Vergleich mit Daten atomistischer Simulationen, Experimenten zur gerichteten Erstarrung und In-situ Analysen im Transmissionselektronenmikroskop, die Ergebnisse zu verifizieren; (v) theoretische Modellierung von Nichtgleichgewichtseffekten (Einfrieren gelöster Stoffe und Degeneration des Aufstauens gelöster Stoffe vor der Front) und der Konvektionsströme während rascher Erstarrung durchzuführen. Als Ergebnis wird eine theoretische Modellierung vorliegen, die sowohl Modelle mit scharfer als auch diffuser Grenzfläche (Phasenfeld). zur Beschreibung der Kristallwachstumskinetik und der Gefügebildung verwendet. Die mittels Modellierung erhaltenen Ergebnisse für die raschen Erstarrung von Ni-Basis-Superlegierungen (von deutschen Partnern) werden mit experimentellen Ergebnissen und In-situ Analysen zur Kristallwachstumskinetik und Gefügebildung (von chinesischen Partnern) verglichen und angepasst. Es wird erwartet, dass durch die enge Zusammenarbeit deutscher und chinesischer Gruppen derzeit offene Probleme bei der Gefügebildung und der Mikroseigerungen auf mesoskopischen Längenskalen in Superlegierungen gelöst werden. Dies ebnet den Weg für die Entwicklung einer neuen Generation von Ni-Basis Superlegierungen mit überlegenen mechanischen Eigenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jianrong Gao