Einfluss von Gitterschwingungen und Magnetismus auf die lokale chemische Ordnung in VCoNi- und CrCoNi-Legierungen

• Antragsteller: Dr. Fritz Körmann
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569255040

Die lokale chemische Ordnung – also die lokale Anordnung von Elementen in einer Legierung – ist entscheidend für die Vorhersage der Materialeigenschaften von Mehrkomponentenlegierungen wie VCoNi und CrCoNi. Aktuelle Modelle haben jedoch häufig Schwierigkeiten, die Stabilität solcher lokalen Ordnungszustände zuverlässig zu prognostizieren, da sie wichtige thermodynamische Beiträge durch Gittervibrationen und magnetische Effekte vernachlässigen. Ziel dieses Projekts ist es, diese Lücke zu schließen, indem ein umfassender Modellierungsansatz entwickelt wird, der Schwingungs- und magnetische Entropie explizit in Simulationen für chemische lokale Ordnungen integriert. Jüngste Studien zu VCoNi zeigen eine Abweichung von über 300~K zwischen den vorhergesagten und experimentell bestimmten Ordnungsübergangstemperaturen. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Schwingungsentropie einen wesentlichen Beitrag zu dieser Diskrepanz leistet. Im Fall von CrCoNi führen starke magnetische Wechselwirkungen und Frustrationseffekte zu erheblichen Energiefluktuationen und signifikanten Beiträgen der magnetischen Entropie, was die Notwendigkeit genauerer magnetischer Modelle unterstreicht. Im Projekt wird eine computergestützte Methode entwickelt, die maschinell gelernte interatomare Potentiale, Schwingungsfreiheitsenergien und magnetische Modell-Hamiltonoperatoren kombiniert. Schwingungseffekte werden über thermodynamische Integration und Freie-Energie-Störungsverfahren berücksichtigt, magnetische Beiträge über erweiterte Heisenberg-Hamiltonians und Monte-Carlo-\\Simulationen. Diese Elemente fließen in maschinell gelernte Low-Rank-Potentiale ein, die eine effizientes Sampling chemischer Konfigurationen ermöglichen. Alle Methoden werden in einen modularen, Python-basierten Workflow eingebettet. Die Validierung erfolgt an den Legierungen VCoNi und CrCoNi und wird auf verwandte Materialien wie CoNiMoAl und VCoNiAl ausgeweitet. Damit wird die Übertragbarkeit und Relevanz der Methodik für ein breiteres Legierungsdesign demonstriert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen