Phasenselektion und Keimbildung an einer ebenen Phasengrenzfläche mit Sprüngen im chemischen Potential

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Rettenmayr (†)
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328636876

Im beantragten Forschungsvorhaben sollen die Kriterien für Phasenselektion und Keimbildung bei diffusiven Phasenumwandlungen an einer ebenen Phasengrenzfläche fern vom thermodynamischen Gleichgewicht bestimmt werden. Es werden der Einfluss und das Zusammenwirken von thermodynamischen Triebkräften, kinetischen Koeffizenten, Grenzflächenenergie sowie elastischer Verzerrungsenergie betrachtet. Die lokal an der Grenzfläche vorliegenden treibenden Kräfte werden umfassend mit Hilfe des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) über lateral hochaufgelöste Messungen der Konzentration und Gitterverzerrungen anhand der Gibbsschen Energiekurven ermittelt. Eine speziell beim Antragsteller entwickelte Versuchsanordnung erlaubt es, Temperatur und Druck methodisch zu variieren und sowohl kurze als auch lange Versuchszeiten mit definierten Randbedingungen einzustellen. Durch die Wahl der Ausgangsphasen mit ausgeprägten Löslichkeiten in den Systemen Cu-Zn und Al-Ni ist es möglich, Konzentrationsgradienten und Übersättigungen an der Phasengrenze gezielt und unabhängig voneinander einzustellen. Ferner sollen über in-situ Diffusionsexperimente im TEM die maximale Übersättigung unmittelbar vor der Keimbildung wie auch der die Keimbildung erlaubende kritische Konzentrationsgradient erstmals experimentell bestimmt werden.Studien zu den Frühstadien diffusiver Phasenumwandlungen sind bisher im Wesentlichen für Dünnschichtsysteme mit Schichtdicken weit unterhalb der Diffusionsreichweiten in der Literatur dokumentiert. Die Verwendung von makroskopischen polykristallinen Diffusionspaaren im beantragten Projekt erlaubt über den Stand in der Literatur hinaus die direkte Beobachtung des Aufbaus von langreichweitigen Konzentrationsprofilen und Übersättigungen. Im TEM werden die Keime wie auch deren Grenzflächen zu den Ausgangsphasen nach Konzentration und Kristallographie analysiert und elastische Gitterverzerrungen bestimmt. Die einzelnen Einflussfaktoren werden auch statistisch durch vergleichende Beurteilung zahlreicher Keimbildungsorte evaluiert, u.a. im Hinblick auf energetisch günstige Grenzflächenkonfigurationen. Die Untersuchungen werden ergänzt durch in-situ Experimente mit einem Chip-basierten Heizhalter. Dadurch werden die Vorgänge im kritischen Zeitbereich um den Keimbildungszeitpunkt mit einer Auflösung von Sekunden darstellbar.Detaillierte Kenntnis von thermodynamischen Triebkräften, kinetischen Prozessen, Kristallographie und elastischer Gitterverzerrung und ihrem Wechselspiel werden zu einem allgemeineren Modell der Keimbildung und Phasenselektion an einer ebenen Phasengrenzfläche fern vom thermodynamischen Gleichgewicht zusammengeführt, das wesentlich über den bisherigen Stand in der Literatur hinausgeht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen