PL2N A Paradigmenwechsel im Legierungskonzept von Leichtmetallen mit intrinsischer Nachhaltigkeit für Struktur-Anwendungen

Projektverlauf

Mit Start des Projektes wurden Vergleichsversuche an simplen binären Legierungen durchgeführt, um die Äquivalenz von tfvd („Sputtering“) mit größeren Gießverfahren (sog. Bulk-Verfahren) sicherzustellen.
Im weiteren Verlauf werden kontinuierlich Phasenbibliotheken im quaternären System Aluminium-Magnesium-Zink-Kupfer hergestellt, durch Wärmebehandlung in ein thermodynamisches Equilibrium gebracht und mikrostrukturell charakterisiert.

Im finalen Projektjahr erfolgt nun der Schritt zu 5-Elementsystemen (durch Addition von z.B. Silizium, Chrom, etc).

Die hierzu benötigten Mehrkomponenten-Sputtertargets werden vom Projektteam dabei selbst hergestellt.
Die stöchiometrische Komplexität wurde hierbei schrittweise gesteigert: im ersten Projektjahr lag der Fokus auf ternären Systemen (z.B. Al-Mg-Zn), im weiteren Projektverlauf wurde auf das volle 4-Elemente-Spektrum erweitert.

Gleichzeitig wurde auf numerischer Seite mit Projektstart begonnen, Modelle für die Vorhersage von Kristallstabilitäten auf Basis der bewährten Methode der Cluster Entwicklung (CE) zu entwickeln. Der Fokus liegt hierbei auf kubischen Kristallsymmetrien, da diese den Großteil der zu erwartenden Phasen abdecken und somit ein breites Spektrum an sowohl intermetallischen – als auch Mischkristallphasen darstellen können. Als Resultat dieser Methode entstehen sogenannte konvexe Hüllen von Phasenstabilitäten in multidimensionalen Zusammensetzungs-Formationsenergie-Diagrammen, welche die stabilsten Zusammensetzungen unmittelbar identifizieren können.

Beide Methoden werden fortlaufend abgeglichen und zeigen bereits zum gegenwärtigen Zeitpunkt gute Übereinstimmungen. Zum Start des letzten Projektjahres sind zwei quaternäre und 2 quinäre Legierungskompositionen identifiziert wurden, die im Sinne von technologisch relevanten MPEAs geeignet erscheinen. Diese werden nun in Bulk-Verfahren in größerem Maßstab hergestellt und entlang klassischer technologischer Parameter (Festigkeit, Bruchdehnung, etc.) charakterisiert.
Dazu ergänzend sollen punktuell noch Bulk-Proben unter Verwendung kommerzieller Ausgangsmaterialien hergestellt werden, um die These der erhöhten Verunreinigungstoleranz von MPEAs punktuell untersuchen zu können.

Begleitend zu den beiden methodischen Hauptpfaden liegt ein weiterer Fokus von PL2N A in der begleitenden Bewertung und Weiterentwicklung von semi-empirischen thermodynamischen Vorhersagemodellen für diese MPEAs. Basierend auf Bilanzgleichungen der Gibbs’schen Enthalpie werden die gewonnenen Materialbibliotheken dazu genutzt, um zeitgenössische und vom Konsortium weiterentwickelte Modelle kritisch zu prüfen und deren Potential im Bereich niedrig dichter MPEAs zu bewerten.

Meilensteine

1. Darstellung mehrerer Materialbibliotheken mittels experimentellen Screening durch Dünnschichtgradientenherstellung
2. Entwicklung einer simulativen Screening-Methode für komplexe Elementkonfigurationen auf Basis von atomistischer ab-initio Simulation

Ergebnisse

– Experimentelle Erstellung von 4-6 Phasenbibliotheken basierend auf den technologisch relevanten Leichtmetallen Aluminium, Magnesium und Silizium mittels Sputtering im Dichtebereich < 6 g/cm3
– Atomistische Ab-inito Simulation dieser Bibliotheken und Abgleich der verwendeten Modellparameter
Zusammenführen der Ergebnisse in eine konsistente thermodynamische Beschreibung
– Darstellung von 2-3 durch obige Methoden bewiesenen Legierungen im makroskopischen Labormaßstab
– Qualitative, experimentelle Untersuchungen zur Verunreinigungstoleranz von niedrig dichten MPEAs durch stufenweise Substitution von Reinelementen durch
Sekundärmaterial und Schrotte

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