CALPHAD-Methode

Die CALPHAD-Methode, die für die Berechnung von Phasendiagrammen steht, hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einer weit verbreiteten Methode zur effektiven Berechnung von Phasendiagrammen von Mehrkomponentensystemen entwickelt.

Ein Phasendiagramm ist eine grafische Darstellung des Zustands eines Materialsystems in Bezug auf Temperatur, Zusammensetzung und Druck. Das bekannteste Phasendiagramm eines binären Systems ist das Temperatur-Zusammensetzungsdiagramm, und übliche ternäre Phasendiagramme umfassen isotherme Abschnitte, Isoplethalschnitte und Liquidusprojektion. Da Phasendiagramme der Ausgangspunkt sind, um die Eigenschaften und Phänomene eines Materialsystems zu verstehen, werden sie häufig als Blaupausen oder Straßenkarten für das Legierungsdesign und die Prozessentwicklung bezeichnet. Während die meisten binären Phasendiagramme und einige Abschnitte für eine Reihe von ternären Systemen im Handbuch zu finden sind, sind Mehrkomponenten-Phasendiagramme, die für das moderne Materialdesign benötigt werden, normalerweise nicht verfügbar. Dies liegt daran, dass die Bestimmung von Mehrkomponenten-Phasendiagrammen rein experimentell äußerst teuer und zeitaufwändig ist.

Die CALPHAD-Methode, die für die Berechnung von Phasendiagrammen steht, hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einer weit verbreiteten Methode zur effektiven Berechnung von Phasendiagrammen von Mehrkomponentensystemen entwickelt . Das Wesentliche dieses Ansatzes besteht darin, selbstkonsistente thermodynamische Beschreibungen der Systeme niedrigerer Ordnung in Bezug auf bekannte thermodynamische und Phasengleichgewichtsdaten zu erhalten. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die separat gemessenen Phasendiagramme und thermodynamischen Eigenschaften durch eine in sich konsistente thermodynamische Datenbank des betreffenden Materialsystems dargestellt werden können. Noch wichtiger ist, dass eine thermodynamische Datenbank für ein System höherer Ordnung aus denen der Systeme niedrigerer Ordnung über ein Extrapolationsverfahren erhalten werden kann . Diese thermodynamische Datenbank ermöglicht es uns, Phasendiagramme und thermodynamische Eigenschaften eines Mehrkomponentensystems zu berechnen, die experimentell nicht verfügbar sind. Derzeit ist der CALPHAD-Ansatz die einzige Methode, mit der Mehrkomponenten-Phasendiagramme mit ausreichender Genauigkeit für praktische Anwendungen erhalten werden können, ohne dass umfangreiche experimentelle Arbeiten erforderlich sind .

Der Erfolg des CALPHAD-Ansatzes hängt von der Verfügbarkeit sowohl von Software als auch von phasenbasierten Eigenschaftendatenbanken ab, die mit dieser Methode entwickelt wurden. Softwarepakete und Mehrkomponenten-Thermodynamikdatenbanken sind seit den 1990er Jahren im Handel erhältlich. Die Merkmale der in diesem Bereich am häufigsten verwendeten Softwarepakete finden Sie in der Sonderausgabe des CALPHAD Journal, Band 33, veröffentlicht im Jahr 2009 . Diese Softwarepakete können bei der Integration mit geeigneten Materialeigenschaftsdatenbanken zur Beantwortung von Fragen zu metallischen Systemen mit mehr als 10 Komponenten verwendet werden. Solche Ergebnisse liefern die grundlegenden Grundlagen für die evolutionäre und revolutionäre Materialentwicklung und wurden erfolgreich in Materialdesignprogrammen angewendet .

Obwohl die CALPHAD-Methode ursprünglich als Methode zum Verständnis der Thermodynamik und der Phasengleichgewichte von Mehrkomponentensystemen entwickelt wurde, wurde die Methode erfolgreich auf Diffusionsmobilitäten in Mehrkomponentensystemen angewendet , und Mobilitätsdatenbanken wurden auf ähnliche Weise wie eine thermodynamische Datenbank entwickelt . Kürzlich wurde die CALPHAD-Methode auf andere Phaseneigenschaften wie molare Volumina, elastische Konstanten und Wärmeleitfähigkeit erweitert . Daher wurde der CALPHAD-Ansatz in den letzten Jahren auf ein breiteres Gebiet der Materialwissenschaft und -technik angewendet, das über Phasendiagramme hinausgeht, z. B. Erstarrung, Beschichtung, Fügen und Phasenumwandlung. Es besteht kein Zweifel, dass CALPHAD eine wichtige Rolle bei ICME gespielt hat, um die Zeit und die Kosten für die Entwicklung und den Einsatz neuer Materialien erheblich zu reduzieren.

L. Kaufman, H. Bernstein, Computerberechnung von Phasendiagrammen, Hrsg., Academic Press, 1970

N. Saunders, A.P. Miodownik, CALPHAD-Berechnung von Phasendiagrammen: Ein umfassender Leitfaden, Pergamon, 1998

H.L. Lukas, S.G. Fries, B. Sundman, Computational Thermodynamics: Die CALPHAD-Methode, Cambridge University Press, 2007

U.R. Kattner, Die CALPHAD-Methode und ihre Rolle in der Material- und Prozessentwicklung, Tecnol Metal Mater Min., 13(1), 3-15 (2016)

Z.-K. Liu, Werkzeuge für Computational Thermodynamics, Calphad, 33(2), 265-440 (2009)

G.B. Olson, Genomisches Materialdesign: Die eisenhaltige Grenze, Acta Materialia, 61(3), 771-781 (2013)

Nationaler Forschungsrat, Integrated Computational Materials Engineering: Eine Transformationsdisziplin für verbesserte Wettbewerbsfähigkeit und nationale Sicherheit, The National Academies Press, 2008