PL2N A

Paradigmenwechsel im Legierungskonzept von Leichtmetallen mit intrinsischer Nachhaltigkeit für Struktur-Anwendungen

Programm / Ausschreibung Energieforschung (e!MISSION), Energieforschung, Energieforschung 4. Ausschreibung 2017 Status laufend
Projektstart 01.03.2018 Projektende 28.02.2021
Zeitraum 2018 - 2021 Projektlaufzeit 36 Monate
Keywords High Entropy Alloys; Leichtmetallwerkstoffe, Mobilitätsanwendungen, Nachhaltigkeit

Projektbeschreibung

Das Konzept der High Entropy Alloys (HEAs), bei denen mehr als 4 Elemente zu annähernd
gleichen Teilen zusammenlegiert werden und idealerweise trotzdem eine simple
Kristallstruktur ohne intermetallische Phasen ausbilden, hat in den letzten 10 Jahren eine
Reihe von hochperformanten Legierungen hervorgebracht. Diese übertreffen den Stand der
Technologie sowohl bzgl. absoluter erreichbarer Festigkeiten, sondern vor allem auch bzgl
der erreichbaren Festigkeit relativ zum theoretischen Limit. Während moderne Legierungen
aller Klassen üblicherweise bei deutlich unter 10% des theoretischen Absolutwertes
technisch etabliert sind, können HEAs bis zu 25% ihrer theoretischen Festigkeit realisieren.
Gleichzeitig deuten Forschungsergebnisse darauf hin, dass HEAs hinsichtlich Ihrer Toleranz
gegenüber metallischer Verunreinigungen eine Steigerung um eine Größenordnung
gegenüber kommerziellen Legierungen erreichen können. Dies würde bedeuten, dass EOLAbfälle
wieder zu hochperformanten Werkstoffen umgesetzt werden können und damit ein
massives Upcycling erfahren. Langfristig können die europäische und österreichische
Wirtschaft damit eine deutlich reduzierte Abhängigkeit von Primärmetallen, welche fast
ausschließlich außerhalb Europas erschlossen werden, erreichen.
Wiewohl die Forschung an HEAs bzw. allgemeiner MPEAs (Multi Principial Element Alloys)
weltweit kontinuierlich intensiviert wird, gilt dies nicht für MPEAs, die vorrangig Leichtmetalle
als verwenden und damit den Bereich niedriger Dichten (Rho < 6,0g/cm³) erschließen. Dies
liegt vor allem an den komplexen atomaren Bindungszuständen von Leichtmetallen.
Für die zukünftige Mobilität ist die bewegte Masse der entscheidende Faktor für die
erreichbare Energieeffizienz. Für die Umsetzung nachhaltiger Mobilitätsszenarien bedarf es
metallischer Werkstoffe, die ihre spezifischen Limits weit über den heutigen Stand hinaus
ausreizen, um die notwendigen Gewichts- und CO2-Einsparungen realisieren zu können.
Um im Bereich niedrig dichter MPEAs Fortschritte erzielen zu können und langfristig eine
Vorhersagbarkeit solch komplexer Legierungen etablieren zu können, bedarf es intensiver
Forschungsanstrengungen an der Schnittstelle zwischen nano- (d.h. atomaren) und
mikrokopischen (d.h. metallurgischen) Vorgängen. Das Projekt PL2N A vereint beide Skalen
sowohl mittels simulativer als auch experimenteller Methoden:
Die kombinierte Verwendung von atomistischer ab-initio DFT-Simulation mit sog. Cluster
Expansion (CE) und Monte Carlo-Simluation erschließt die Evolution von solchen
Legierungen von der Interaktion einzelner Atome bis zum temperaturabhängigen Verhalten
von massiven Metallen auf makroskopischer Ebene. Durch Sputtering von MPEADünnschichten,
können Legierungsbibliothekens hergestellt werden und die tatsächliche
Stabilität der Phasen untersucht werden. Der Abgleich dieser Ergebnisse mit denen der
Simulationsmethoden erlaubt eine Weiterentwicklung bestehender Modelle in den Bereich
niedrig dichter MPEAs.

Abstract

Within the last decade, the novel concept of so-called High Entropy Alloys (HEAs), usually
consisting of 4 and more elements at almost equimolar ratios, has delivered an astonishing
number of high performance metal alloys. These alloys outperform the current state of art in
conventional alloys like steel, by absolute values of strength and ductility, and, beyond, are
better capable of approaching their theoretical limit. While commercial alloys usually face
boundaries at appro. 10% of their theoretical value, some MPEAs could already establish up
to 25%.
At the same time, recent research results indicate that MPEAs could increase the pollution
tolerance by one order of magnitude as compared to modern alloys. By that, EOL scrap
could be re-valorized as a full equivalent to primary sources, which are almost exclusively
located outside of Europe and in particular outside of Austria. The dependency on foreign
primary producers and energy consumption of metal production could hence be massively
decreased.
While there is an increasing research effort in MPEAs (Multi Principal Element Alloys)
worldwide, investigations into low density MPEAs (unravelling the density range < 6,0g/cm³)
using predominantly light metals as basis is basically non-existent. This can be traced back,
to a large amount, to the increased complexity of atomic binding conditions of light metals
For future mobility applications, the absolute vehicle mass is the crucial factor for maximizing
the energy effiency potential. In order to establish sustainable scenarios of future
transportation, metal materials are required that can outbid their theoretical limits way
beyond the current state of art, if the international reduction goals in CO2 are to be reached.
In order to progress knowledge in low density MPEAs and establish a distinct level of
predictability of such alloys, intense research efforts at the boundary of nano- and microscale
is necessary. PL2N A merges both scales using sophisticated numerical and experimental
methods.
The combinatorial exploitation of ab-inito DFT simulation together with Cluster Expansion
(CE) and Monte Carlos simulation unveils the thermodynamic evolution of low density
MPEAs based on single atom interactions. By using sputtering technique, alloy libraries can
be produced and actual phase stabilities can be compared to simulation, allowing
establishing enhanced or novel models to predict low density MPEAs.