Atomistische Simulation von Aluminiumoxid-Korngrenzenstruktur und Diffusion

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Drautz
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536664308

Oxidschichten auf Al- oder Cr-haltigen Legierungen bieten einen wirksamen und kostengünstigen Korrosionsschutz. Die wichtigsten Mechanismen der Oxidschichtbildung auf atomarer Ebene sind jedoch unbekannt oder umstritten, was den Einblick und das Verständnis einschränkt und die Computer-gestützte Entwicklung optimaler Legierungen und Oxidschichten verhindert. Die atomistische Simulation der Mechanismen der Bildung von Oxidschichten ist schwierig. Erstens ist eine genaue Beschreibung der interatomaren Wechselwirkungen erforderlich, welche die Simulation komplexer atomarer Umlagerungen an Korngrenzen ermöglicht und den Beitrag von Ladungstransfer zur Energie einschließt. Zweitens müssen die Simulationszellen Tausende von Atomen umfassen, um realistische Geometrien abzubilden, und die Simulationen müssen ausreichende Simulationszeiten erreichen, um atomare Umlagerungen und Diffusion zu beobachten. Dichtefunktionaltheorie (DFT) ist zwar ausreichend genau, kann aber nicht so ausreichend viele Atome simulieren. Andererseits sind Simulationen mit einer ausreichenden Anzahl von Atomen möglich, wenn klassische interatomare Potentiale verwendet werden. Diese Potentiale sind aber im Allgemeinen nicht genau genug oder nicht übertragbar, selbst wenn sie ein Modell für Ladungstransfer enthalten. Erst kürzlich wurde eine Klasse genauer interatomarer Potentiale, die oft als maschinell gelernte Potenziale bezeichnet werden, bekannt, die eine Energieoberfläche mit nahezu DFT-Genauigkeit beschreiben können. Der von uns favorisierte Ansatz innerhalb dieser Kategorie ist die Atomic Cluster Expansion (ACE), bei der wir den Ladungstransfer einbeziehen werden. ACE ist schnell und kann systematisch zu höherer Genauigkeit konvergiert werden. Mit diesem Ansatz schlagen wir vor, genaue und übertragbare interatomare Potentiale für das Aluminium-Sauerstoff-System zu entwickeln. Wir werden diese Potentiale für die Simulation der Diffusion in Korngrenzen der Oxidschicht verwenden und aus unseren Simulationen die Mechanismen und Diffusionskoeffizienten auf atomarer Skala extrahieren, die für das Verständnis der Wachstumsraten von Oxidschichten entscheidend sind. Unser Projekt wird unseres Wissens nach das erste sein, das sich mit dem Problem der Diffusionsmechanismen und -raten auf atomarer Ebene in Oxidkorngrenzen bei hohen Temperaturen befasst und damit die Grundlage für das Design von Oxid-Schutzschichten auf atomarer Ebene schafft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen