Thermodynamische Modellierung von Werkstoffen mit der CALPHAD-Methode

Thermodynamische Berechnungen erlauben Voraussagen über Phasenbildungen in Werkstoffen während thermischer Prozesse, also sowohl während deren Herstellung als auch unter Anwendungsbedingungen. Die CALPHAD-Methode („CALculation of PHAse Diagrams“) ermöglicht hierfür die Modellierung von Werkstoffen jenseits von binären und ternären Systemen (z.B. Fe-Ni-Cr-Al-Y als Hochtemperaturlegierung und Al-Mo-Nb-Ta-Ti-Zr als Hoch-Entropie-Legierung) sowie die computergestützte Simulation derer thermodynamischer Eigenschaften bei definierten Bedingungen, z. B. chemische Zusammensetzung und Temperatur.

Simulationen können hierbei sowohl im thermodynamischen Gleichgewicht (Wärmbehandlung) als auch für Prozesse mit Rascherstarrung ausgelegt werden, z. B. strahlbasierte additive Fertigung oder Melt Spinning.

Als Software kommt Thermo-Calc mit Datenbanken für relevante Werkstoffsysteme zur Anwendung, z. B. Leichtbau- und Hochtemperaturlegierungen, Stähle und innovative Hoch-Entropie-Legierungen.

Das Fraunhofer IFAM Dresden verfügt über umfangreiche Möglichkeiten und Kompetenzen zur experimentellen Validierung der Simulationsergebnisse, z. B. Thermoanalyse, Wärmebehandlung, Metallographie, Rasterelektronenmikroskopie und Prozessanalytik.

Anwendungsbeispiele:

• Berechnung von Schmelz- und Umwandlungstemperaturen für Wärmebehandlungsprozesse
• Voraussage der Materialdichte im Rahmen von Werkstoffentwicklungen und -optimierungen
• Simulation der Volumengehalte von Ausscheidungsphasen als Grundlage für Härtungsprozesse und anwendungsoptimierte Festigkeitseigenschaften

Kundennutzen:

• Verkürzt Entwicklungszeiten und -kosten durch Minimierung von experimentellem Aufwand
• Ermöglicht die Optimierung von Herstellungsprozessen/-ketten durch Ableitung optimaler Parameter (z. B. Wärmbehandlungstemperaturen so niedrig wie möglich) und damit hohe Wirtschaftlichkeit
• Fördert das Verständnis für Strukturänderungen im Werkstoff und daraus resultierenden Eigenschaftsänderungen während der Herstellung und im Einsatz
• Erlaubt Vorhersagen zu Wechselwirkungen von Werkstoffen mit Umgebungsmedien und dadurch Abschätzungen zu deren Eignung unten vorgesehenen Herstellungs- und Einsatzbedingungen