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Superlegierungen à la Darwin

Von Rainer Scharf

Seit mehr als 3000 Jahren stellen die Menschen Metalllegierungen her, deren Eigenschaften denen von reinen Metallen oft deutlich überlegen sind. Viele extrem widerstandsfähige Legierungen wurden mehr oder weniger zufällig entdeckt, doch seit etwa zehn Jahren geht man systematisch auf die Suche. Jetzt soll der Computer helfen, neue Legierungen mit den gewünschten Eigenschaften zu finden.

Gisli Johannesson und seine Kollegen an der Technischen Universität von Dänemark in Lyngby haben sich die Aufgabe gestellt, die 20 stabilsten Legierungen zu finden, die aus maximal vier verschiedenen Metallen bestehen. Dabei standen 32 Metalle zur Auswahl. Die gewünschten Legierungen mussten aus insgesamt 192016 Legierungen mit möglichst einfacher Kristallstruktur herausgesucht werden - ein scheinbar aussichtsloses Unterfangen.

Mit Hilfe des Computers konnten die Forscher zunächst für jede gewünschte Legierung die Bildungswärme als Maß für die Kristallstabilität berechnen. Dabei wurden die Methoden der Dichtefunktionaltheorie angewandt. Die Genauigkeit ihres Verfahrens überprüften die Wissenschaftler an binären Legierungen. Hier stimmten die berechneten Bildungswärmen mit den experimentell ermittelten hervorragend überein.

Um die stabilsten vierkomponentigen Legierungen zu finden, benutzten die dänischen Forscher einen evolutionären Algorithmus. Sie starteten mit einer Population von 20 zufällig ausgewählten Legierungen und ließen sie eine Darwinsche Evolution durchlaufen. Dabei konnten je zwei Legierungen "Nachkommen" haben, indem sie zufällig ausgewählte Metallkomponenten austauschten. Auch "Mutationen" kamen vor: Es wurde bei willkürlich herausgegriffenen Legierungen ein Metall durch ein anderes ersetzt. Schließlich wurden die 20 stabilsten Legierungen dieser Generation ermittelt und beibehalten. Die übrigen schieden aus. Dann konnte die nächste Runde beginnen.

Nach etwa 50 Generationen änderte sich die Population nicht mehr. Die 20 stabilsten Legierungen waren gefunden. Das Ergebnis war übrigens unabhängig davon, wie die Ausgangspopulation zusammengesetzt war. Die gefundenen Legierungen enthielten jedoch z. T. sehr teuere Metalle, waren wenig duktil oder spröde. Deshalb haben die Forscher ihre Suche entsprechend eingeschränkt. So wurde nach den stabilsten Legierungen gesucht, die weder teuere Metalle wie Silber, Gold, Palladium oder Platin enthalten, noch das Element Silizium, da es die Legierungen spröde macht.

An erster Stelle der so gefundenen Hitliste stand AlNi3, die beste der bekannten "Superlegierungen", die wegen ihrer großen Widerstandsfähigkeit in Strahltriebwerken Verwendung finden. Andere Legierungen auf der Liste galten schon vorher als aussichtsreiche Kandidaten für Superlegierungen, wieder andere waren bislang noch unbekannt. Sie sollen nun experimentell hergestellt und eingehend untersucht werden. Das Verfahren der dänischen Forscher macht es jetzt möglich, wesentlich zielgerichteter nach neuen Superlegierungen zu suchen. 

Quelle
G. H. Johannesson et al. Combined Electronic Structure and Evolutionary Search Approach to Materials Design. Physical Review Letters 88, 255506 (2002). http://link.aps.org/abstract/PRL/v88/e255506

Weitere Informationen
Datenbank für binäre Legierungen:
http://databases.fysik.dtu.dk/

Kontakt
Jens Nørskov: http://www.fysik.dtu.dk/~norskov/

pro-physik.de v. 10.7.2002

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