Legierungsentwicklung durch multikriterielle Optimierung


Moderne Industrien wie Luftfahrt und Medizintechnik sind auf hochspezialisierte metallische Werkstoffe angewiesen, deren Leistungsfähigkeit auf einer kontinuierlichen und zunehmend komplexen Legierungsentwicklung beruht. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, gewinnen neuartige Legierungskonzepte wie Hochentropielegierungen (HEAs) mit mehreren Hauptkomponenten sowie weiterentwickelte Nickelbasislegierungen zunehmend an Bedeutung, insbesondere unter Einbeziehung refraktärer Metalle.
Die enorme Vielfalt möglicher Zusammensetzungen und der hohe experimentelle Aufwand machen eine rein empirische Legierungsentwicklung zunehmend ineffizient. Vor diesem Hintergrund verfolgt die Arbeitsgruppe einen simulations- und optimierungsgetriebenen Ansatz zur systematischen Entwicklung neuer Legierungen.
Hierzu wird eine Software zur multikriteriellen Optimierung entwickelt, die deterministische und probabilistische Modelle kombiniert, um optimale Legierungszusammensetzungen als Pareto-Fronten im relevanten Suchraum zu identifizieren. Die Optimierung stützt sich auf CALPHAD-basierte thermodynamische und kinetische Modelle, die eine fundierte Vorhersage von Werkstoffeigenschaften und mikrostrukturellen Merkmalen ermöglichen.
Ein zentraler Forschungsaspekt ist die Vorhersage mechanischer Eigenschaften ausgehend von der chemischen Zusammensetzung, unter anderem mithilfe elektronischer Strukturkriterien. Ergänzend werden Aspekte der Verarbeitbarkeit, insbesondere im Hinblick auf additive Fertigungsverfahren, in die Optimierung einbezogen. Dadurch können Legierungen gezielt für komplexe Geometrien und moderne Fertigungstechnologien ausgelegt werden.
Die entwickelten Methoden werden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TR 103 „Vom Atom zum Einkristall“ kontinuierlich weiterentwickelt und experimentell validiert. Sie leisten einen wesentlichen Beitrag zur beschleunigten, wissensbasierten Legierungsentwicklung und zur Übertragung neuer Legierungskonzepte in industrielle Anwendungen.


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