Anisotropy of interphase boundaries in multiscale composite growth structures

• Applicants: Dr.-Ing. Ulrike Hecht; Professor Dr. Jürgen Horbach
• Subject Area: Thermodynamics and Kinetics as well as Properties of Phases and Microstructure of Materials
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 263712789

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Das Projekt ANPHASES hat dazu beigetragen, das klassische Verständnis der Selbstorganisation eutektischer Systeme gründlich zu erneuern: Insbesondere wurde herausgearbeitet, welche Rolle die Anisotropie der interkristallinen Phasengrenzflächenenergie bei der Musterbildung eutektischer Legierungen spielt. Mit Hilfe experimenteller, theoretischer und numerischer Untersuchungen wurde erstmals nachgewiesen, dass sich die Theorien und Modelle eutektischen Wachstums grundlegend verändern, wenn die Phasengrenzflächenenergie zwischen den festen Phasen des Eutektikums stark anisotrop ist. Das gilt für die Jackson-Hunt Beziehung, für den Übergang von faserigem zu lamellarem Wachstum, für die Entstehung lamellarer Muster und die ihnen inhärenten Defekte, für morphologische Übergänge und andere mehr. Ferner wurde eine neuartige Methode entwickelt, um aus atomistischen Simulationen freie Energien von Fest-Fest-Grenzflächen und deren Anisotropie zu berechnen. Insbesondere können mit dieser Methode freie Grenzflächenenergien auch bei hohen Temperaturen berechnet werden, was für die Betrachtung rauher Grenzflächen in der Nähe eutektischer Punkte von hoher Relevanz ist. Leider konnte die neue Methode noch nicht auf die in ANPHASES betrachteten Fest-Fest-Grenzflächen in Al-A2Cu-Eutektika angewendet werden. An der Erweiterung der Methode auf solche Grenzflächen arbeiten wir aber. Auch experimentelle Methoden zur Bestimmung der Anisotropie, d.h. des Wulff-Plots, mussten zunächst entwickelt werden (INSP). Es handelt sich um Methoden der gerichteten Erstarrung in rotierenden dünnen Proben, die auf Saphir-Platten aufgesputtert sind, so dass sie sich für die in situ Beobachtung eignen. Phasenfeldsimulationen des Wachstums und der Reifung in 2D und 3D konnten die Rolle der Anisotropie anschaulich untermauern und experimentelle Beobachtungen hervorragend ergänzen. Die Verwertbarkeit der Ergebnisse liegt primär in der erweiterten Kompetenz und Erfahrung bezüglich der Analyse und Auswirkung anisotroper Phasengrenzflächen, die in unterschiedlichsten Materialien eine Schlüsselrolle bei der Gefügebildung spielen. Für zukünftige F&E-Anträge, auch in internationalen Verbundprojekten, soll die Einbindung molekulardynamischer Daten und Berechnungen ein wichtiger Baustein werden. Dieses Projekt hat gezeigt, dass Skalen- und methodenübergreifende Ansätze gelingen können und zu neuen Erkenntnissen führen, bzgl. der Defektdichte in Eutektika. Der Erfolg bei Neuanträgen wird durch die integrierte Methodik steigen. Ebenso ist es gelungen, die hauseigenen Phasenfeldmodelle um geeignete Anisotropie-Modelle und Diffusions-Modelle zu erweitern und damit für neue Anwendungen im Bereich der Materialforschung zu ertüchtigen. Die Ergebnisse zur Reifung zweiphasig polykristalliner Systeme nach rascher Erstarrung sollen patentrechtlich genutzt werden und auch auf andere zwei- oder dreiphasige Legierungssysteme ausgeweitet werden. Anwendungen werden im Bereich bioaktiver Filtermaterialien zur Reinigung von Flüssigkeiten und Gasen gesehen. Gespräche mit dem Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik sind geplant, um die konkreten Verwertungsperspektiven hierarchisch poröser Strukturen mit gezielt eingestellter Permeabilität auszuloten.

Publications

• Crystal growth kinetics in Lennard-Jones and Weeks-Chandler- Andersen systems along the solid-liquid coexistence line, J. Chem. Phys. 143, 014702 (2015)
  R. Benjamin and J. Horbach
  
• Free-energy cost of forming an interface between a crystal and its frozen version, Phys. Rev. E 92, 042408 (2015)
  R. Benjamin and J. Horbach
  
• Crystal orientation relations-hips in ternary eutectic Al-Al2 Cu-Ag2 Al, Acta Mater. 157, 96-105 (2018)
  P. Steinmetz, A. Dennstedt, M. Serefoglu, I. Sargin, A. Genau, and U. Hecht
  
• The free energy of grain boundaries from atomistic computer simulation, Phys. Rev. E 98, 031301(R) (2018)
  S. Ganguly and J. Horbach
  
• Phase boundary anisotropy and its effects on the maze-to-lamellar transition in a directionally solidified Al-Al2 Cu eutectic, Acta Mater. 170, 268-277 (2019)
  U. Hecht, J. Eiken, S. Akamatsu, and S. Bottin-Rousseau