Kirkendall-Porosität in Diffusionspaaren: Untersuchung der Bildung und des morphologisch instabilen Wachstums mittels Synchrotronröntgen-Tomografie und Phasenfeld-Simulation

• Antragstellerinnen: Professorin Dr.-Ing. Bettina Camin; Dr. Julia Kundin
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496083821

Interdiffusion in Diffusionspaaren geht einher mit einem Porositätswachstum durch Absorption freier Leerstellen, der so genannten Kirkendall-Porosität. Dieses Phänomen ist von großem technologischen und wissenschaftlichen Interesse, da diese Porosität insbesondere in der Nähe von Verbindungen verschiedener Materialien schwerwiegende Schäden verursacht. Die Untersuchung der Kirkendall-Porosität zielt auf die Kinetik der Interdiffusion, die Porenmorphologie und die Simulation des Porositätswachstums ab. Ein weiterer Aspekt ist das inhomogene und, in einem starken, gerichteten Leerstellenstrom, morphologisch instabile Porenwachstum, wie es in unseren Vorversuchen beobachtet wurde. Diese Aspekte haben in der wissenschaftlichen Literatur bisher nur wenig Aufmerksamkeit erlangt. Mit Hilfe der Submikrometer-Synchrotron-3D-Tomographie in Diffusionspaaren von Nickelbasislegierungen wurde in Vorarbeiten bestätigt, dass sich Kirkendall-Poren auf unterschiedliche Weise entwickeln können, wobei viele verschiedene Morphologien (kubisch, dendritisch, oktaedrisch, tropfenförmig, tassenförmig usw.) angenommen werden. Des Weiteren verschmelzen Poren während des Wachstums miteinander. Die Aufklärung der Mechanismen und ein tiefes physikalisches Verständnis der instabilen Entwicklung der Kirkendall-Porosität ist das Ziel des vorliegenden Antrags. Die Arbeiten werden sich auf die Untersuchung von Diffusionspaaren von Nickelbasislegierungen mit hochauflösender Synchrotron-Röntgen-Tomographie konzentrieren, einschließlich in-situ-Experimenten, die eine dynamische Beobachtung der Keimbildung und Entwicklung von Kirkendall-Poren ermöglichen. Zur Unterscheidung von Zusammensetzungs- und Temperatureffekten werden Diffusionspaare hergestellt und bei verschiedenen Temperaturen geglüht. In-situ-Synchrotron-Tomographie-Experimente werden von einer Elektronenstrahl-Mikroanalyse der Interdiffusion begleitet. Um ein besseres theoretisches Verständnis der Kirkendall-Porosität zu erreichen, werden parallel dazu Keimbildung und Wachstum mit der Phasenfeld-Methode simuliert, gekoppelt an ein kürzlich entwickeltes paarweises Mehrkomponenten-Diffusionsmodell, das auf die Berücksichtigung der Leerstellendiffusion verallgemeinert wird. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf das inhomogene Wachstum von Porenmorphologien und Porosität in einem starken, gerichteten Leerstellenstrom gelegt.Es wird erwartet, dass die kombinierten experimentellen und theoretischen Untersuchungen zu einem grundlegenden Verständnis der Keimbildung und des Wachstums der Kirkendall-Porosität in Verbindungen technisch relevanter Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung und zu einer besseren Kontrolle dieser schädlichen Defekte beitragen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen