Mechanism-oriented design strategies for the development of new multi-principal element alloys using high-throughput screening methods

• Mechanismen-orientierte Designstrategien für die Entwicklung neuer Mehrkomponentenlegierungen mittels Hochdurchsatzmethoden

Kies, Fabian Martin; Krupp, Ulrich (Thesis advisor); Haase, Christian (Thesis advisor); Glatzel, Uwe (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Legierungen bestehend aus mehreren Hauptelementen (multi-principal element alloys (MPEAs)) sind eine neue Legierungsklasse, deren Forschungsinteresse seit 2004 erheblich gestiegen ist. Im Gegensatz zu konventionellen Legierungen fehlt bei diesem Konzept ein Basiselement, was zu hohen Freiheitsgraden beim Legierungsdesign führt. Obwohl Eigenschaftskombinationen vorhergesagt wurden, die von konventionellen Legierungen nicht erreicht werden können, konnte dies nur in wenigen MPEAs erreicht werden. Um diese neuen Legierungen brauchbar zu machen, müssen Mechanismen-orientierte Designstrategien angewendet werden, in denen mehrere metallphysikalische Phänomene gleichzeitig zur Eigenschaftsverbesserung ausgenutzt werden. Aufgrund der hohen Komplexität von MPEAs fehlen jedoch gründliche und zuverlässige Methoden für das Legierungsdesign. Theoretische und experimentelle Methoden werden zwar erforscht, sind aber noch nicht ausgereift und werden selten kombiniert. In dieser Arbeit wurde eine Mechanismen-orientierte MPEA Designstrategie entwickelt, welche die verfügbaren theoretischen Methoden berücksichtigt und diese in Kombination mit experimentellen Methoden entsprechend auslegt. Die Strategie wurde in drei Schritten entwickelt: Machbarkeitsnachweis an Hochmanganstählen (HMnS), Übertragung auf MPEAs und Optimierung. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Verbesserung des Festigkeit-Duktilität Verhältnisses bei Raumtemperatur im AlCCoFeMnNi System. Theoretische Untersuchungen wurden mit Ansätzen in der calculation of phase diagrams (CALPHAD) Methode und Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt, während elementare Pulvermischungen in additiven Fertigungsverfahren (additive manufacturing (AM)) für die experimentellen Ansätze genutzt wurden. Um die optimale Legierung eines MPEA Systems zu finden, müssen potenzielle Kandidaten in mehreren Schritten eingegrenzt werden. Mehrere theoretische Methoden sollten für Matrix- und Ausscheidungsdesign kombiniert werden, um einen Bereich für die experimentellen Untersuchungen zu empfehlen. Wird als Ausgangspunkt für die theoretischen Methoden eine etablierte hochlegierte konventionelle Legierung gewählt, können zur Steigerung der Effizienz die Mechanismen der Ursprungslegierung auf die neue MPEA übertragen werden. Die experimentelle Untersuchung sollte in zwei Schritte erfolgen. Zunächst werden schnell durchführbare Charakterisierungsmethoden an möglichst vielen Zuständen durchgeführt, um die vielversprechendste MPEA weiter einzuschränken. Detailliertere Messmethoden werden nur an den interessantesten Kandidaten angewendet, um den Aufwand der experimentellen Untersuchungen gering zu halten. Um das gesamte System charakterisieren zu können, können die Ergebnisse der detaillierten Untersuchungen auf Gemeinsamkeiten aus der schnellen Untersuchung übertragen werden. Der entwickelte Ansatz wurde auf zwei MPEAs angewendet, bei denen das Festigkeit-Duktilität Verhältnis effektiv verbessert werden konnte.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]