Mechanismen beim mechanischen legieren von fcc, bcc, hcp metallischen Pulvermischungen - Experiment und Phasenfeldmodellierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karsten Durst; Professorin Dr.-Ing. Bai-Xiang Xu
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576175114

Mechanisches Legieren mittels hochgradiger plastischer Verformung ist ein vielversprechendes Verfahren zur Herstellung von nanostrukturierten Materialien mit Zusammensetzungen, die jenseits der Möglichkeiten konventioneller metallurgischer Verfahren liegen. Die Anwendung von Hochdrucktorsionpressen (High Pressure Torsion, HPT) auf elementare Pulvermischungen ermöglicht eine kontinuierliche Durchmischung und Verfeinerung der Mikrostruktur, selbst bei nicht mischbaren Elementen. Die Mechanismen des mechanischen Legierens und der Strukturentwicklung sind im Kontext der HPT-Verarbeitung von Pulvern bislang nicht vollständig verstanden und werden in diesem gemeinsamen experimentellen und theoretischen Projekt untersucht. Als wichtiges und interessantes Modellsystem werden wir im Zusammensetzungsraum von Mehrkomponentenlegierungen arbeiten, wie z. B. im Co-Cr-(Ni,Cu)-System. Das ternäre äquimolare Co-Cr-Ni-System weist nach konventioneller metallurgischer Verarbeitung eine einphasige fcc-Kristallstruktur auf. Darüber hinaus hat dieses sogenannte Medium-Entropie-Legierungssystem aufgrund der überragenden mechanischen Eigenschaften und der komplexen Verformungsmechanismen in letzter Zeit großes Interesse geweckt. In diesem Projekt wollen wir den neuen pulverbasierten HPT-Prozess anwenden, um ausgehend von elementaren Pulvern, Effekte wie Konsolidierung, Durchmischung und Strukturfeinung in Abhängigkeit von den binären Löslichkeiten der einzelnen Elemente zu untersuchen. Während im Co-Cr-Ni-System die Bildung einer einphasigen fcc-Festlösung erwartet wird, weist das Co-Cr-Cu-System geringere Löslichkeiten auf, sodass eine andere Strukturentstehung zu erwarten ist. Das Durchmischungsverhalten wird mittels Phasenfeldmodellierung untersucht, wobei die Kopplung zwischen mechanischen Feldern und Löslichkeiten berücksichtigt wird. Um das komplexe Zusammenspiel von mechanischer Verformung, chemischer Diffusion und strukturellem Übergang nach Erreichen einer quasi-Gleichgewichts-Korngröße zu analysieren, wird ein multiphysikalisches Phasenfeldmodell unter Berücksichtigung von Thermodynamik und Kinetik entwickelt. Finite-Elemente-Simulationen werden nach experimenteller Parametrisierung und Validierung durchgeführt, um den Grad der Übersättigung und dessen Abhängigkeit von Volumenanteil der Elemente, Verformungsgrad, Mischungsenthalpie und den auftretenden Versetzungsmechanismen zu untersuchen. Ziel des Projekts ist es, die Strukturentstehung und mechanisch erzwungener Übersättigung im Co-Cr-(Ni,Cu)-System zu verstehen und daraus Prozessrouten für die Entwicklung neuer nanostrukturierter Legierungen auf Basis frei wählbarer Elementarpulver und Zusammensetzungen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christian Kübel