Atomare Prinzipien der Martensitische und Ordnungsphänomene

Stetig steigende Rechenleistung und verbesserte Theorien erlauben heutzutage die Modellierung realistischer Werkstoffsysteme und somit theoriebasiertes Materialdesign. Im Besonderen stimmen Voraussagen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie meist hervorragend mit experimentellen Beobachtungen überein. Viele moderne Materialien, die bereits angewendet werden oder kurz vor der Anwendung stehen, beruhen jedoch auf komplexer Chemie, komplizierten hierarchischen Strukturen und/oder Effekten, die bei erhöhten Temperaturen ablaufen. Die Einbeziehung dieser Umstände stellt derzeit eine noch herausfordernde Aufgabe dar. Aus diesem Grund konzentriert sich dieser Antrag auf die Entwicklung von Strategien, um derartige Phänomene ausgehend von der elektronischen Struktur zu untersuchen. Phasenumwandlungen spielen in der Materialwissenschaft eine wesentliche Rolle. Zwei derartige Prozesse stehen im zentralen Blickpunkt des beantragten Projektes. Einerseits die Martensitische Phasenumwandlung, die keine Diffusionsprozesse aufweist und daher äußerst schnell abläuft. Auf der anderen Seite die Ordnungseinstellung in einer intermetallischen Legierung, die auf Diffusion basiert und üblicherweise einen langsamen Prozess darstellt. Im Rahmen des Projektes wird ein TiAl+Mo Modellsystem untersucht, in dem kürzlich das Auftreten beider Umwandlungstypen berichtet wurde. Das System zählt zu den intermetallischen Werkstoffen, einer Materialklasse von Verbindungen und Legierungen mit weitem Anwendungsbereich, die aus zwei oder mehr metallischen Elementen besteht. Zuerst wird damit begonnen, die Eigenschaften der chemischen Wechselbeziehungen im Ti-Al-Mo System zu bestimmen (effektive Wechselwirkungen, Umwandlungswärme), die in weiterer Folge die Entwicklung von Strukturmodellen für dieses Legierungssystem erlauben. Anschließend wird dies zur Abschätzung der thermodynamischen Eigenschaften beitragen. Temperaturabhängige elastische Eigenschaften werden als Eingangsgrößen zur Modellierung von martensitischen (diffusionslosen) Umwandlungen dienen. Gleichzeitig werden Diffusionsmechanismen theoretisch beschrieben und in kinetischen Monte-Carlo-Simulationen angewendet, um Ordnungs- /Unordnungs-Umwandlungen theoretisch zu untersuchen. Das Ergebnis der Arbeit soll ein komplexes Modell sein, das zur quantitativen Vorhersage von Martensit- und Ordnungsumwandlungen im Ti-Al-Mo Modellsystem fähig ist. Um die theoretischen Voraussagen überprüfen zu können bzw. zur Ermittlung notwendiger Materialdaten (z.B. Umwandlungstemperaturen) werden, unter anderem, in-situ Synchrotron- experimente durchgeführt. Das Projekt soll detaillierte Einblicke in das Umwandlungsverhalten sowie die Ordnungseinstellung im System TiAl+Mo bieten. Dies ist nicht nur von großem Interesse für die Entwicklung von neuen intermetallischen Hochtemperaturwerkstoffen. Vielmehr soll das Projekt auch zur Etablierung eines Bottom-up Zugangs für die Materialentwicklung beitragen, indem gezeigt wird, dass man das Wechselspiel zwischen der Chemie und den Auswirkungen erhöhter Temperaturen in Materialien theoretisch vorhersagen kann.

Das MOTIF Projekt (Atomistic Principles of Martensitic and Ordering Transformations at Finite Temperatures) untersuchte Phasenumwandlungen in intermetallischen TiAl-basierten Leichtbau-Legierungen wahrend rascher Abkuhlung durch die Anwendung von fortschrittlichen quantenmechanischen Berechnungen. Die resultierenden Mikrostrukturen beinhalten (meta-) stabile eingefrorene Phasen, welche im thermodynamischen Gleichgewicht nicht existieren und deshalb experimentell schwierig zu charakterisieren sind. Der Fokus des Projekts wurde auf das -TiAl-basierte System mit Zusatzen von Mo gelegt. Dieses Element dient zur Stabilisierung der /o Phase und zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften. Das Ziel bestand in der Entwicklung einer Methodik zur Extraktion der strukturellen und mechanischen Eigenschaften von (meta-) stabilen, chemisch komplexen Phasen. Unsere Berechnungen bewiesen den positiven Effekt von Mo auf die Stabilitat der /o Phase bei gleichzeitig Destabilisierung anderer Phasen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass dieses Element die Duktilitat der Phase und der hexagonalen Ti0.5 Al0.5 Phase verbessert. Diese theoretischen Vorhersagen konnten durch mehrere experimentelle Messmethoden bestatigt werden. Die Gitterstrukturen und die aus den Berechnungen extrahierten effektiven Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Elementen wurden genutzt um martensitische und Ordnungsumwandlungen im System genauer zu untersuchen. Es zeigte sich, dass die martensitischen Umwandlungen der Ordnungsphasen spontan ohne Aktivierungsbarriere ablaufen, wodurch die Koexistenz von o und Phase mit gleicher Chemie ausgeschlossen werden kann. Bei chemisch ungeordneten Phasen kommt es dahingegen zum Auftreten einer kleinen Aktivierungsbarriere und damit zu einer Stabilisierung der -TiAl Phase mit einem geringen Gehalt an Mo im Vergleich zur -TiAl oder 2'/B19-TiAl Phase im thermodynamischen Gleichgewicht. Zusatzlich fuhrt eine Erhohung des Mo-Gehalts zu hoheren Ordnungstemperaturen und damit zu einer Vergroßerung des Stabilitatsbereichs der geordneten Phasen zu hoheren Temperaturen. Das Einstellen einer martensitischen Mikrostruktur setzt folglich eine Anpassung des Mo-Gehalts voraus, da hohe Gehalte einerseits die o Phase stabilisieren aber andererseits auch zu einer zu hohen thermodynamischen Triebkraft fur die Ordnungsumwandlung fuhren. Letztere steht in Zusammenhang mit kurzeren Diffusionswegen, was in der Koexistenz mehrerer Phasen mit unterschiedlicher Zusammensetzung unter Gleichgewichtsbedingungen und nicht in einer martensitischen Mikrostruktur resultiert.