Mathematische Modellierung der Ausscheidung ... - OPUS-Datenbank

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6 Zusammenfassung
In dieser Arbeit wurde ein neues Modell zur Simulation der Ausscheidungskinetik von
Sprödphasen, insbesondere von TCP-Phasen in rutheniumhaltigen Superlegierungen,
entwickelt. Das Modell simuliert die Keimbildung und das Wachstum für beliebig viele
Phasen simultan unter Anwendung der CALPHAD-Methode (Calculation of Phase Dia-
grams). Diese Methode wird zur Berechnung der thermodynamischen Größen wie z.B. der
Triebkraft oder der Phasenzusammensetzung im Gleichgewicht und zur Berechnung der
Diffusionskoeffizienten bzw. Mobilitäten eingesetzt. Dabei werden erstmals vollständig die
Effekte berücksichtigt, die durch die Vielzahl der Legierungselemente in Superlegierungen
bedingt sind. Metastabile Phasen werden in dem Modell automatisch aufgelöst, sofern sie
thermodynamisch instabil werden. Da das Modell auf der CALPHAD-Methode beruht, ist
es allgemein ohne großen Aufwand auch auf andere Ausscheidungsvorgänge in beliebi-
gen Legierungssystemen anwendbar, sofern die entsprechenden thermodynamischen und
Mobilitätsdatenbanken vorliegen.
Die Modellierung bestätigt die experimentellen Erkenntnisse, welche Ausscheidungssequenzen
bei der TCP-Phasenbildung vermuten lassen. Aufgrund der Kristallstrukturen
scheidet sich zunächst meist die metastabile σ-Phase aus, weil sie die geringste Grenzflä-
chenenergie aufweist. Nach einigen hundert Stunden kommt es dann zum Wachstum der
thermodynamisch meist stabileren µ- oder P-Phase, welche aus energetischen Gründen
vor allem an der σ-Phase ihre Keime bildet. Die metastabile σ-Phase wird anschließend
wieder aufgelöst. Thermodynamische Berechnungen mit der CALPHAD-Methode zeigen,
dass die σ-Phase eine niedrigere Gibbs’sche Freie Enthalpie als die µ- oder die P-Phase
aufweist. Alle erforderlichen Modellparameter wie Grenzflächenenergie und Keimdichten
wurden bestimmt.
Anhand des neu entwickelten Modells konnte untersucht werden, welche Mechanismen
die experimentell beobachtete Hemmung des Wachstums der TCP-Phasen bei der Zugabe
von Ruthenium erklären können. Es stellt sich heraus, dass durch Ruthenium vor allem
die Keimbildung gehemmt wird, während der Einfluss auf das Wachstum der Ausscheidungen
gering ist. Der Volumenanteil der TCP-Phasen im thermodynamischen Gleichgewicht
wird durch Ruthenium kaum verändert. Ruthenium bewirkt insbesondere eine Ver-
ringerung der Triebkraft durch Beinflussung der γ’-Phase. Dies geschieht einerseits durch
eine Verschiebung von Rhenium in die γ’-Phase („reverse partitioning“) und andererseits