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maschine+werkzeug 02/2016

Simulation am Supercomputer

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Superlegierungen – Werkstoffwissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg simulieren die Verformung von Turbinenwerkstoffen an Proben, die im Computer Atom für Atom nachgebaut wurden.

Superlegierungen sind metallische Werkstoffe, die aus Nickel und Aluminium sowie verschiedenen weiteren Elementen wie Rhenium zusammengesetzt sind. Sie sind unverzichtbar für die Herstellung von Turbinenschaufeln, wie sie etwa in einem Flugzeugtriebwerk verwendet werden. Sie sorgen dafür, dass die Turbinen auch bei höchsten Temperaturen bis nahe an ihrem Schmelzpunkt stabil bleiben. Das ist bei den immensen Belastungen durch Fliehkräfte ein Muss.

Werkstoffwissenschaftler arbeiten daher permanent daran, diese Superlegierungen weiter zu verbessern. Forschern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) um Prof. Dr. Erik Bitzek ist es nun erstmals gelungen, die atomare Struktur einer Nickelbasis-Superlegierung so exakt im Computer nachzubauen, dass Simulationen tatsächlich die Verformungsprozesse in der realen Materialstruktur wiedergeben und erklären können. Bislang konnten Forscher immer nur mit idealisierten Strukturen im Computer arbeiten.

Die Verformung und das Versagen von metallischen Werkstoffen werden entscheidend von Abweichungen in der regelmäßigen Atomanordnung in ihren Kristallgittern bestimmt. Einer besonderen Art von linienförmigen Kristalldefekten, den sogenannten Versetzungen, kommt dabei eine besondere Rolle zu. Ihre Bewegung führt dazu, dass Bereiche des Kristallgitters gegeneinander abgleiten und so der Kristall dauerhaft verformt wird.

»Eine Beule im Auto oder eine verbogene Büroklammer sind also das Ergebnis massiver Versetzungsbewegung«, legt Bitzek dar. Im Rückschluss führt alles, was die Bewegung von Versetzungen erschwert, zu einer Erhöhung der Festigkeit eines Metalls. Die Erlanger Wissenschaftler können jetzt detailgetreu simulieren, wie sich Versetzungen in einer Nickelbasis-Superlegierung bewegen, wenn Kräfte auf die Turbinenschaufel einwirken. Um dieses Ziel zu erreichen, haben Bitzek und sein Team zunächst Daten genutzt, die ihre Kollegen vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung mit Hilfe einer Atomsondenmessung ermittelt haben, diese liefert 3D-Informationen über den atomaren Aufbau der Legierung, kann allerdings lediglich rund 60 Prozent der vorhandenen Atome lokalisieren. 

»Aus den so gewonnenen Daten konnten wir mit einer neu am Lehrstuhl entwickelten Software namens ›nanoSCULPT‹ atomare Modelle erzeugen, die nicht nur die exakte Beschaffenheit der sogenannten Ausscheidungen – Teilchen mit anderer Kristallstruktur und Zusammensetzung, die in den Kristall eingebettet sind – wiedergeben, sondern auch, wie die Nickel- und Aluminiumatome innerhalb der Legierung verteilt sind«, erklärt Bitzek.

Auf diese Weise gelang es, die im Experiment um die Ausscheidungen herum entstehenden Netzwerke von Versetzungen richtig abzubilden und die speziellen Versetzungsstrukturen, die zuvor ihre Forscherkollegen um Prof. Dr. Erdmann Spiecker (ebenfalls FAU) im hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop beobachtet hatten, wirklichkeitsgetreu zu reproduzieren.

Im nächsten Schritt simulierten Bitzek und sein Team auf den Höchstleistungsrechnern der FAU Zugversuche an diesen aus über 14 Millionen Atomen bestehenden Mikrostrukturen. »Dabei zeigte sich erstmals detailliert auf atomarer Skala, wie die Ausscheidungen und das sie umgebende Versetzungsnetzwerk die Bewegung von Versetzungen behindern und so die Festigkeit des Materials erhöhen«, erläutert Bitzek.

Ein Video der Simulationen findet sich unter

http://bit.do/superalloy .

Diese Erkenntnisse dienen nun der Weiterentwicklung von Superlegierungen, damit sie noch höheren Temperaturen standhalten können und so den Treibstoffverbrauch – und in der Folge den CO2-Ausstoß – von Triebwerken senken. Insgesamt neun Arbeitsgruppen der Erlanger Werkstoffwissenschaftler arbeiten an diesem Ziel gemeinsam mit der Ruhr-Universität Bochum und weiteren Forschungseinrichtungen innerhalb des Sonderforschungsbereichs Transregio 103 ›Vom Atom zur Turbinenschaufel‹, der, wie kürzlich bekannt gegeben wurde, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft für weitere vier Jahre mit 15 Millionen Euro gefördert wird.

»Mit ähnlichen Simulationsmethoden lässt sich nicht nur das Verformungs-, sondern auch das Bruchverhalten untersuchen«, führt Bitzek aus. Dazu werden die Kräfte zwischen den Atomen auf Basis quantenmechanischer Modelle berechnet und die Bewegung aller Atome um eine Rissspitze verfolgt. Bei vielen Metallen bewegen sich Versetzungen, bevor die Bindungen zwischen den Atomen an der Rissspitze brechen. Daher brechen viele metallische Werkstoffe erst bei tiefen Temperaturen spröde wie Glas. Die Kenntnis der atomaren Struktur, der Kräfte zwischen den Atomen sowie der Verformungsprozesse auf atomarer Ebene hilft somit, bessere Werkstoffe wie festere Superlegierungen oder bruchbeständige Gläser zu entwickeln.

  • Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken bestehen aus einkristallinen Nickelbasis-Superlegierungen, welche würfelförmige Ausscheidungsteilchen beinhalten. Atomsondendaten zeigen, wo sich welche Atome befinden. Auf Basis dieser Daten können die Erlanger Werkstoffwissenschaftler simulieren, wie sich die Superlegierung auf atomarer Skala verformt.

    Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken bestehen aus einkristallinen Nickelbasis-Superlegierungen, welche würfelförmige Ausscheidungsteilchen beinhalten. Atomsondendaten zeigen, wo sich welche Atome befinden. Auf Basis dieser Daten können die Erlanger Werkstoffwissenschaftler simulieren, wie sich die Superlegierung auf atomarer Skala verformt.

  • »Mit ähnlichen Simulationsmethoden lässt sich nicht nur das Verformungs-, sondern auch das Bruchverhalten untersuchen.« Prof. Dr. Erik Bitzek, Gruppenleitung Simulation & Modellierung am Institut für Werkstoffwissenschaften, Lehrstuhl für Allgemeine Werkstoffeigenschaften an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

    »Mit ähnlichen Simulationsmethoden lässt sich nicht nur das Verformungs-, sondern auch das Bruchverhalten untersuchen.« Prof. Dr. Erik Bitzek, Gruppenleitung Simulation & Modellierung am Institut für Werkstoffwissenschaften, Lehrstuhl für Allgemeine Werkstoffeigenschaften an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

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