Defect formation in L1 2 intermetallics

2 Intermetallics Intermetallische Legierungen spielen ein Schlüsselrolle in der heutigen Materialwissenschaft und im Maschinenbau. Ihre ungewöhnlichen und attraktiven Hochtemperatureigenschaften beruhen auf dem Auftreten langreichweitiger Ordnung. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften dieser Materialien hängen stark von Gitterdefekten ab. Es ist bei weitem nicht einfach wichtige physikalische Parameter dieser Defekte experimentell zu bestimmen. Jene sind aber Voraussetzung für ein grundsätzliches Verstehen dieser Prozesse und die Optimierung der Materialien. State-of-the-Art Methoden sollen angewandt und adaptiert werden, um die mit vereinfachten Modellen nicht erreichbaren Informationen über thermische Effekte für Experimentatoren und Ingenieure zu gewinnen. Mit der Verfügbarkeit leistungsfähiger Computersysteme und geeigneter theoretischer Methoden ist es nun möglich diese fundamentalen Probleme auf atomarem Niveau mit ab-initio Methoden anzugehen. Diese beruhen auf den Grundlagen der Quantenmechanik. Physikalische Eigenschaften können ohne empirische Parameter berechnet werden und mit realen Materialien verglichen werden. Thermodynamische Modelle, die auf den Ergebnissen der ab-initio Methoden beruhen, sind für eine realistische, temperaturabhängige Beschreibung der Defektbildung unabdingbar. In diesem Projekt sollen Modelle, die als Daten aufwendige Berechnungen benötigen, adaptiert und weiterentwickelt werden.

In diesem Projekt untersuchten wir die Energien, die für Atomsprünge in bestimmten geordneten Legierungen aufzubringen sind. Intermetallische Verbindungen (Intermetallics) sind eine technologisch bedeutende Klasse von Legierungen. Ihre Festigkeit kann sich im Gegensatz zum üblichen Verhalten mit steigender Temperatur erhöhen. Eine andere vorteilhafte Eigenschaft ist ihre erhöhte Korrosionsbeständigkeit. Diese Vorzüge sind an chemische Ordnung der Atome gebunden, die wiederum von der Temperatur abhängt. Für die Industrie ist es wichtig, die Stabilität eines Materials bei gegebener Temperatur sowie die Charakteristika der Umwandlung in einem Produktionsvorgang zu kennen. Für den Materialphysiker ergibt sich daraus die Frage nach der Kinetik der Ordnung und Entordnung, die in diesen Legierungen durch Sprünge einzelner Atome in benachbarte leere Gitterplätze vor sich geht. Insbesondere möchte man wissen, wie viel Energie benötigt wird, um eine Gitterleerstelle zu erzeugen, und wie viel Energie (Aktivierungsenergie) ein Atom braucht, um in diese Leerstelle zu springen. Diese Energien können mit ab initio - Rechnungen bestimmt werden. Das Verfahren geht auf W. Kohn (Nobelpreis für Chemie 1998) zurück, beruht auf der Quantenmechanik und benötigt leistungsfähige Computer. Im Rahmen dieses Projekts wurden alle Berechnungen mit bewährten ab initio - Methoden (z.B. VASP, das in Wien in der Gruppe von J. Hafner entwickelt wurde) durchgeführt. Im ersten Stadium des Projekts wurden die Energien von Leerstellen und Antistrukturdefekten (das sind Stellen, wo ein "falsches" Atom sitzt) in Ni3 Al berechnet. Dann wurden die Energiekosten untersucht, um ein Atom in eine benachbarte Leeerstelle zu führen. Wie zu erwarten, befindet sich ein Al- Atom in einem Zustand erhöhter Energie, wenn es von seinem regulären Platz, wo es von kleineren Ni-Atomen umgeben ist, zu einem Antistrukturplatz gewechselt ist, wo es von den größeren Al-Atomen umgeben ist. Daraus ergab sich ein kooperatives Atomsprungmodell: Wenn der Rücksprung durch ein Ni-Atom blockiert wird, das die frei werdende Leerstelle besetzt, wird das Al-Atom im Zustand erhöhter Energie festgehalten. Diese kooperative (gleichzeitige) Bewegung von Atomen wurde in gesonderten Rechnungen studiert. Vergleichsweise hohe Aktivierungsenergien wurden gefunden, die jenen aus Experimenten entsprechen (Die Ordnungskinetik wurde durch Messung des elektrischen Widerstandes beobachtet). Die Berechnungen wurden in der Folge auf eine Gruppe chemisch analoger Legierungen ausgedehnt. In einer abschließenden Untersuchung wurde der Einfluss verschiedener Atomumgebungen auf die Atomsprungraten untersucht.