MCL – MATERIALS CENTER LEOBEN FORSCHUNG GMBH
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FORSCHUNGSSCHWERPUNKT
COMET K2 MPPE
Strategisches
Forschungsprojekt
A 1.6
Ziel des strategischen Projekts A 1.6 ist die Entwicklung einer Theorie und Methodik
zur Beschreibung und Vorhersage der gleichzeitigen Ausscheidung und Diffusion in
technologisch relevanten Prozessen. In einem Vorgängerprojekt (SP16) wurden am
MCL bereits die Grundlagen für die Beschreibung von Ausscheidungsvorgängen in
mehrphasigen Mehrkomponentensystemen erarbeitet. In diesem Projekt werden
die Ergebnisse dieser Vorarbeiten in die praktische Anwendung der Oberflächenbe-
handlung umgesetzt. Dazu war eine grundlegende Modellentwicklung erforderlich,
wobei der ursprüngliche Ansatz der Ausscheidungskinetik auf komplexe Material-
gefüge ausgeweitet wurde.
Letzteres erfolgte durch die Entwicklung eines neuen Modells für die Ausscheidung
an Korngrenzen, wie dies zum Beispiel bei der Ausscheidung von AlN in Stahl zu be-
obachten ist. Die Keimbildung von AlN-Ausscheidungen in Stahl ist bekannterma-
ßen sehr schwierig, da die volumetrischen Unterschiede zwischen Stahlmatrix und
AlN sehr groß sind. Diese Unterschiede führen während der Keimbildung zu hohen
elastischen Spannungen, welche die homogene Keimbildung im ungestörten Kristall
völlig unterdrücken. Die Keimbildung von AlN erfolgt ausschließlich heterogen, also
an Dislokationen oder Korngrenzen. Da für letztere bislang keine geeignete theore-
tische Beschreibung existierte, musste im Rahmen des Projekts eine Theorie entwi-
ckelt werden.
Die Abbildung 2 (a, b) zeigt die angenommenen Diffusionsfelder für das Ausschei-
dungswachstum im ursprünglichen Modell und im neuen Modell unter Berücksich-
tigung der Korngrenzendiffusion. Die im Projekt entwickelten Modelle werden in
MatCalc (
http://matcalc.at
) implementiert, das zusammen mit allgemeinen CALPH-
AD-ähnlichen thermodynamischen und kinetischen Datenbanken für entsprechende
Projekte am MCL verfügbar ist. Der Schwerpunkt des Projekts wurde kürzlich auf die
komplexe Situation der gleichzeitigen Diffusion und Ausscheidung verlagert. Diese Si-
tuation tritt typischerweise während der Aufkohlung und Nitrierung von Werkstoffen
zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften auf. Der in MatCalc implementierte
Ansatz basiert auf der Lösung des zweiten Fick’schen Gesetzes für Multikomponen-
tensysteme und der Kopplung mit dem Modul zur Ausscheidungskinetik. Die Abbil-
dung 2 c) zeigt schematisch den im Projekt gewählten Ansatz, wobei die reale Situa-
Modellbildung und Berechnung von
Ausscheidungsvorgängen
Abb. 1: a)
γ
-
Ausscheidung einer Superlegierung auf Ni-Basis; b) Ausscheidungen eines 9-12% Cr-Stahls für den Kraftwerkseinsatz;
c) Ausscheidung von Stahl beim Mikrolegieren
a)
b)
2
µm
200
nm
500
nm
c)