Atomistische Untersuchungen von metastabilen Phasen

Metastabile Phasen sind oft die Schlüssel-Komponenten von Hochleistungswerkstoffen und somit sind diese in einer Vielzahl an Werkstoffentwicklungen enthalten, wie z.B. in aushärtbare Legierungen (z.B., Schnellarbeitsstähle, verschiedene Leichtmetalllegierungen basierend auf Al, Mg, und Ti), intermetallische Titan- Aluminiden, und Hartstoffschichten. Besonders während einer raschen Abkühlung und Erstarrung, bei der die atomistische Umlagerungskinetik limitiert ist, können sich sehr leicht metastabile Phasen bilden. Trotzdem ist über die Struktur, die elastischen Eigenschaften und die Phasenstabilität der metastabilen Phasen selbst nur wenig bekannt. Die Entmischung der metastabilen und/oder übersättigten Phasen in deren stabile Bestandteile kann ihrerseits über die Bildung von anderen metastabilen Zwischenphasen erfolgen. Plasma unterstützte Dampfphasenabscheidung mit den verbundenen extrem hohen Abkühlraten kann als `Extremes Herstellverfahren` betrachtet werden, welches die Herstellung von metastabilen und sogar instabilen Phasen und Werkstoffen mit einer hohen Dichte an im Ungleichgewicht befindlichen Strukturdefekten erlaubt. Dadurch ist es möglich ungewöhnliche Materialeigenschaften zu erzielen. Plasma unterstützte Herstellungsmethoden haben die Entwicklung von fortschrittlichen Hartstoffschichten unter Verwendung von werkstoffwissenschaftlichen Design Regeln ermöglicht und vorangetrieben. Diese Entwicklung folgt dem wesentlichen Trend der Herstellung von Multikomponenten und Multiphasen Strukturen für spezielle Anwendungen. Ternäre Übergangsmetall Nitride besitzen eine Vielzahl and Strukturtypen. Durch Zusammensetzungsvariationen können die mechanischen und elektronischen Eigenschaften gezielt eingestellt werden. Weiters ist es möglich deren Gitterparameter, Härte, Elastizität oder Korrosionsstabilität einzustellen um die Leistungsfähigkeit der Hartstoffschichten zu optimieren. Das Hauptziel des beantragten Forschungsprojektes ist es, den Mechanismus, der für die Bildung der metastabilen Phasen in den ternären Materialsystemen Ti-Al-N, Cr-Al-N und Zr-Al-N verantwortlich ist, zu verstehen. Zusätzlich zu der industriellen Relevanz wurden diese drei Modell-Systeme aufgrund der Möglichkeit die verschiedenen Einflüsse von Atomgröße, Elektronendichte und Bindungscharakter auf die Ausbildung der Struktur, Eigenschaften und Phasenstabilität von AlN beinhaltenden Phasen zu untersuchen, ausgewählt. Weiters wird der Einfluss eines zusätzlichen Legierungselementes auf die erwähnten Eigenschaften von Ti-Al-N, Cr-Al-N und Zr- Al-N basierenden Materialen untersucht. Hier soll vor allem auch das unterschiedliche Verhalten von Ti-Al-N, Cr- Al-N, und Zr-Al-N auf einzelne Legierungselemente untersucht und erklärt werden. Die Strategie basiert auf der Untersuchung und Korrelation zwischen Zusammensetzung, Struktur, und Übersättigung von Dünnschichtmaterialien mittels theoretischer und experimenteller Methoden. Hierfür werden ab-initio Kalkulationen und kontinuummechanische Beschreibungen in Kombination mit hoch entwickelten Strukturuntersuchungsmethoden wie der Atomsonden Analyse und der Transmissions Elektronen Mikroskopie herangezogen.

Frei nach dem olympischen Motto schneller, höher, stärker kann auch das Ziel der Entwicklung neuester Materialien beschrieben werden. Im Unterschied zu den Olympischen Spielen und anderen Wettkämpfen, ist bei der Werkstoffentwicklung die Verwendung von Doping- und sogar Legierungs-Elementen durchaus erlaubt. Somit steht der Werkstoffentwicklung nicht nur die Veränderung der Mikrostruktur (im Wesentlichen die Architektur bis zur atomaren Ebene), sondern auch die Veränderung der chemischen Zusammensetzung zur Verfügung. Die moderne Werkstoffwissenschaft erlaubt nicht nur die Untersuchung von Werkstoffen auf atomarer Ebene, sondern auch deren Herstellung auf atomarer Ebene. Dies ermöglicht die Entwicklung von Werkstoffen mit Eigenschaftskombinationen, wie sie in der Natur kaum vorkommen. Die Industrie wartet ungeduldig auf solche Supermaterialien, um zum Beispiel Bearbeitungen (wie Zerspanungsprozesse) schneller durchführen zu können, oder Werkstoffe bei noch höheren Temperaturen einsetzen zu können (z.B. steigt der Wirkungsgrad von Flugzeugtriebwerken oder Gasturbinen zur Energieerzeugung mit der Verbrennungstemperatur). Grundlage hierfür ist, dass die Werkstoffe auch noch über die notwendige Widerstandsfähigkeit (also Stärke) gegen mechanische oder korrosive Angriffe (bei der Einsatztemperatur) verfügen. Mithilfe von Supercomputern können neue Werkstoffe und deren Eigenschaften, basierend auf deren atomarer Architektur, berechnet werden. Insbesondere die metastabilen Zustände, die bei extremen Herstellbedingungen von Materialen entstehen können (etwa so, wie Kohlenstoff unter extremer Hitze und Druck zu Diamant wird) erweitern das Eigenschaftsspektrum der Werkstoffe enorm. Wer diese Prozesse versteht, kann Werkstoffe auf ein bestimmtes Anforderungsprofil hin maßschneidern, und damit die Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit von z.B. Werkzeugen oder Bauteilen für Motoren und Turbinen steigern. Zum Beispiel das leuchtend goldfarbene Titannitrid, das sich auf Schneidwerkzeugen ebenso findet wie auf hochwertigem Modeschmuck: Ein einziges Zusatzatom unter hundert anderen vermag die Eigenschaften des Titannitrids (das primär aus Titan und Stickstoff besteht) völlig zu verändern. Dies lässt sich mit Supercomputern berechnen. Im Experiment zeigt sich, ob das Werkstoffdesign gelungen ist. Falls nicht, dann helfen neuerliche Computerberechnungen, das Problem noch besser zu erfassen. Die Vereinigung von Theorie und Experiment auf höchstem Niveau ist das Herzstück dieses START-Projekts.