Diffusion in BCC Multi-Hauptelement-Legierungen aus Experiment und Ab initio: Einfluss von thermischen Vibrationen und chemischer Komplexität

• Antragsteller: Professor Dr. Sergiy Divinski; Dr. Xi Zhang
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509804947

Diffusion in konzentrierten Legierungen, speziell in sogenannten Multi-Hauptelement-Legierungen (MPEAs), erlangt wegen moderner technologischer Anwendungsmöglichkeiten stetig wachsende Aufmerksamkeit. Solche Legierungen weisen einzigartige Merkmale auf insbesondere eine schwerfällige Diffusion die kritischen Einfluss auf verschiedene Materialeigenschaften haben, wie z.B. auf die Mikrostruktur, Phasenstabilität, Kriechverhalten, Strahlungstoleranz. Die einzigartigen Merkmale von MPEAs rühren generell von einer signifikanten chemischen Komplexität her, welche gleichzeitig enorme Herausforderungen für das Experiment und die Theorie mit sich bringt. Von der Theorieseite her ist die Rolle der Gittervibrationen in Kombination mit der starken Heterogenität der lokalen Umgebungen und ihr Einfluss auf die Diffusion in MPEAs bei weitem nicht verstanden, was eine quantitative und zum Teil auch qualitative Vorhersage von Diffusivitäten behindert. Basierend auf einer wohl abgestimmten Anstrengung von Gruppen aus Stuttgart (Simulation) und Münster (Experiment) beides etablierte Führungskräfte in ihren Forschungsfeldern und untereinander verbunden durch eine langwährende Kollaboration zielt das aktuelle Projekt auf die Entwicklung von genauen und vielseitigen Verfahren, um Diffusion in komplexen MPEAs zu untersuchen und fundamental zu verstehen. Unter Einbeziehung einer Kombination aus einer fortgeschrittenen Radiotracer-Methode mit verschiedenen hochgenauen ab initioinformierten Simulationstechniken werden wir uns im vorliegenden Projekt auf Leerstellengetriebene Diffusion in BCC MPEAs des MoNbTaVW Systems konzentrieren. Aufgrund der hohen Schmelzpunkte der konstitutiven Elemente wurde berichtet, das BCC MPEAs herausragende Hochtemperatur-Festigkeiten besitzen, womit sie auch übliche Superlegierungen übertreffen könnten. Tatsächlich wird das MoNbTaVW System als Struktur- und Funktionswerkstoff der nächsten Generation gehandelt. Durch die gemeinsamen, interaktiven Analysen von genau vermessenen und simulierten Tracer-Diffusivitäten für eine Reihe von BCC MPEAs mit verschiedenen chemischen Komplexitäten, e.g., Mischkristalle und Legierungen mit kurz- und langreichweitiger Ordnung (B2), werden wir nicht nur einen umfangreichen Satz an Diffusionsdaten mit beispielloser Genauigkeit liefern, sondern ebenfalls ein durchdringendes physikalisches Verständnis des Einflusses von thermischen Vibrationen, chemischen Wechselwirkungen, Elementsubstitutionen und chemischen Ordnungstendenzen, sowie deren Zusammenspiel. Ein signifikanter Fortschritt in Bezug auf das fundamentale Verständnis von Diffusion und verwandten Ordnungs-/Unordnungstendenzen in MPEAs wird erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Blazej Grabowski; Professor Dr.-Ing. Gerhard Wilde