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Literaturübersicht zwischen den beiden Körnern wird als Triebkraft für die Korngrenzenbewegung, verbunden mit der Ausscheidung der η-Phase, angesehen. Ein Wachstumsmodell auf der Basis einer festen Orientierungsbeziehung zwischen Matrix und Ausscheidung ist das Modell von Tu und Turnbull [2.4.19]. Eine Korngrenze mit dem Winkel α trennt zwei Kristallite, in der Abbildung 2.13 mit K 1 und K 2 bezeichnet. Die Bildebene liegt in der (001)-Ebene. Innerhalb dieser Kristallite treten je zwei kristallografisch mögliche Wachstumsrichtungen (im Falle von Inconel 706 von Typ ) auf, in welche eine Platte aufgrund ihrer Orientierung mit der Matrix wachsen könnte. Die Richtungen sind in Abbildung 2.13 mit Pfeilen gekennzeichnet. Ausgangspunkt ist ein Keim an der Korngrenze (Abbildung 2.13a). Während die Stirnfläche des Keimes in der Korngrenze liegt, bilden sich im Korn K 1 zwei Grenzflächen heraus, in Abbildung 2.13b mit A und B bezeichnet. A stellt die kohärente Grenzfläche der η-Phase mit der Matrix des Korns K 1 dar. B ist eine inkohärente Grenzfläche und ist damit mobiler als die Grenzfläche A. In Abbildung 2.13b ist die Platte gewachsen, wobei sie der Richtung im Korn K 1 gefolgt ist. Beim Wachstum bewegt sich die Korngrenze oberhalb der Platte mit der Ausscheidung mit und hinterlässt eine kohärente Grenzfläche. Die linke Seite der Platte (A) liegt auf der Habitusebene von K 1 , während die rechte Seite (C) eine inkohärente Grenzschicht mit dem Korn K 2 bildet. Die Differenz aus den Grenzflächenenergien ist die Triebkraft für die Korngrenzenbewegung. So wäre die inkohärente Grenzfläche gegen eine kohärente zu ersetzen, die Energie des Systems zu verringern. So entsteht eine η-Platte mit ihrer Stirnfläche in der Korngrenze. Parallel zur Korngrenzenbewegung kann sich eine zweite Platte bilden (Abbildung 2.13d) und es entsteht schrittweise eine Zelle aus mehreren Ausscheidungen. a) b) c) d) Abbildung 2.13: Modell der Entstehung von diskontinuierlichen Ausscheidungen an einer Korngrenze nach Tu und Turnbull [2.4.18]. Die Bild Ebene stellt die (001)-Ebene der Matrix dar, die Platte orientiert sich nach Korn K 1 . Eine ähnliche Erklärung des Wachstums von diskontinuierlichen Ausscheidungen wird von Smith gegeben [2.4.23]. Ein Keim bildet sich an der Korngrenze, wobei er mit einem der beiden Körner eine feste Orientierungsbeziehung hat. Dieser Keim entsteht durch die unterschiedliche Verteilung der Legierungselemente an der Korngrenze. Anschließend findet ein Wachstum des Keimes in das Korn statt, mit dem keine Orientierungsbeziehung herrscht. Dort ist die Grenzfläche η/γ inkohärent und damit mobil. Die Verlängerung der Ausscheidung findet dann ohne Korngrenzenbewegung statt. 23
Literaturübersicht 2.5 Phasenmodellierung Seit mehr als 3000 Jahren stellen die Menschen Metalllegierungen her, deren Eigenschaften denen von reinen Metallen oft deutlich überlegen sind. Viele extrem widerstandsfähige Legierungen wurden mehr oder weniger zufällig entdeckt, doch seit etwa zehn Jahren geht man systematisch auf die Suche. Jetzt soll der Computer helfen, neue Legierungen mit den gewünschten Eigenschaften zu finden [2.5.1]. a) Kontinuum b) Mikrostruktur Elektronik Atomistik Atomistik Elektronik Mikrostruktur Kontinuum Maßstab Abbildung 2.14: Hierarchie des “multiscale modellings“ a) und Beispiele b), links oben sp 3 Elektronenumlaufbahn, rechts oben Rissspitze, links unten Mikrogefüge einer Superlegierung und rechts unten eine Turbinenschaufel [2.5.2] Pettifor in [2.5.2] zeigt die Verbindung zwischen der Welt der Elektronen mit der Welt des Materialwissenschaftlers. Die Zusammenarbeit der Physiker, Chemiker und Materialforscher führte zur Entwicklung einer sog. “multiscale materials modelling“ Ideologie. D.h., um größere Systeme modellieren zu können, müssen erst einmal die Vorstufen simuliert werden. Gegenwärtig gibt es mehrere Simulationsprogramme (Thermocalc, Phascalc, Phacomp, Calphad...), welche zur Berechnung von Phasen, Phasengleichgewichten und exakten Phasenzusammensetzungen in der vom Nutzer angegebenen Legierung dienen und sogar diffusionskontrollierte Prozesse simulieren (DICTRA) [2.5.3, 2.5.4, 2.5.5] können. 2.5.1 Thermo-Calc Thermo-Calc hat seit 1981 ein weltweites Renommee als das beste System zur Berechnung von Phasendiagrammen in Multikomponenten-Systemen gewonnen. Es ist das einzige Programm, das Diagrammabschnitte mit bis zu fünf unabhängigen Variablen errechnen kann. Zusätzlich zur Phasenberechnung gibt aber auch andere Modellierungsmöglichkeit, wie z.B. Wärmetönung bei Phasenumwandlungen, Simulation bei CVD-Auftragungen, Scheil-Gulliver Simulationen der Erstarrung, Pourbaix-Diagramme, partielle Gasdrücke etc. Das Programm Thermo-Calc basiert auf der Thermodynamik. Die Bestimmung der thermodynamischen Phasengleichgewichte erfolgt unter Minimierung der freien Enthalpie G des Systems. Thermodynamische Daten werden in Form von Koeffizienten gespeichert, mit 24
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Eine Steigerung des Wirkungsgrades
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