Die Vielfalt der Musterbildung in Metallen - Großskalige Phasenfeldsimulationen zur gerichteten Erstarrung ternärer eutektischer Systeme

Kurzfassung

Die Ausbildung verschiedener Strukturen während der gerichteten Erstarrung metallischer Legierungen hat einen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des entstehenden Materials. In Systemen mit drei oder mehr Atomsorten bilden sich abhängig von den Prozessparametern und den physikalischen Eigenschaften verschiedene mikroskopische Strukturen. Simulationen des Erstarrungsprozesses liefern neue Erkenntnisse über die entstehenden Muster und ermöglichen den Einfluss der Parameter auf die verschiedenen Anordnungen zu analysieren. Mit der von uns verwendeten Phasenfeldmethode kann dieser Erstarrungsprozess simuliert werden, indem ein Satz gekoppelter partieller Differentialgleichungen effizient gelöst wird. Um realistische Gebiete und belastbare physikalische Gesetze herzuleiten, sind massiv-parallele Simulationen mit mehr als 84.000 CPUs notwendig. Hierzu sind die derzeit größten Hochleitungsrechner (HPC-Systeme) notwendig. Abhängig von den Parametern können Mikrostrukturen, die mit experimentellen Aufnahmen übereinstimmen, beobachtet werden. Durch solche Simulationen können die Kosten und Zeiten zur Entwicklung neuer Materialien verringert werden. Zudem erlauben sie neue Einblicken in bisher experimentell nicht beobachtbare Prozesse.