Kristallwachstumsrate in stark unterkühlten Schmelzen glasbildender Zr-Basislegierungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Dieter M. Herlach (†); Professorin Dr. Britta Nestler
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238485687

Das gemeinsame Ziel der beiden Kooperationspartner in Karlsruhe und Köln ist es, sowohl durch Experimente als auch durch Phasenfeldsimulationen die Erstarrung glasbildender Materialien zu erforschen. Bei den angewendeten starken Unterkühlungen sind die Diffusionsvorgänge in glasbildenden Materialien eingeschränkt. Dies führt zu einem nichtmonotonen Verhalten der Wachstumsgeschwindigkeit als Funktion der Unterkühlung. Um dies zu verstehen, untersuchen wir Zr-Basislegierungen, da diese in einem Levitationsexperiment in den Bereich der Glasübergangstemperatur abgekühlt werden können. Wir behandeln sowohl binäre als auch mehrkomponentige Legierungen und ermitteln die Erstarrungspfade und die Kinetik der Phasenumwandlung. In experimentellen Arbeiten werden die Zusammensetzungen und die Kristallwachstumsgeschwindigkeiten bei verschiedenen Unterkühlungen bestimmt. Die Daten werden zur Validierung der entwickelten quantitativen Phasenfeldmodellierung für starke Unterkühlungen, die Effekte wie solute trapping und partitionslose Phasenumwandlung erfasst, genutzt. Desweiteren wird das Phasenfeldmodell verwendet, um die Gefügeausbildung in glasbildenden Systemen zu erforschen und um die Morphologien bei verschiedenen Unterkühlungen zu charakterisieren. Für die beobachteten Mikrostrukturen und Geschwindigkeit-Unterkühlungsverläufe wird ein Vergleich mit entsprechenden Größen nicht-glasbildender Materialien erarbeitet und die Unterschiede theoretisch diskutiert. Die simulierten geometrischen Kenngrößen wie dendritische Spitzenradien und eutektische Lamellenabstände werden mit Experimenten und analytische Theorien verglichen und geeignete Weiterentwicklungen der Phasenfeldmodellierung für glasbildenden Materialien hergeleitet. Durch Auswertung der experimentellen und simulierten Gefüge werden morphologische Übergänge von dendritischen zu eutektischen Mikrostrukturen identifiziert und die Entstehung der Übergänge als Funktion der Unterkühlung und Zusammensetzung bestimmt. Zusammenfassend besteht die Zielsetzung des Projektes in der Erforschung der Kinetik, der Gefügemorphologie und der Topologiepfade glasbildender Legierungen unter extremen Erstarrungsbedingungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen