CALPHAD-Methode: Was ist damit gemeint?

Lösung: B. Ein Verfahren, das Modelle der Gibbs-Energie jeder Phase an Messwerte und andere Daten anpasst und das Zustandsdiagramm aus der Phasenkombination mit minimaler Gesamt-Gibbs-Energie berechnet

Bei der CALPHAD-Methode (CALculation of PHAse Diagrams) wird die Gibbs-Energie jeder Phase, etwa der Schmelze, von Mischkristallen und Verbindungen, als Summe eines Terms der reinen Stoffe, eines Terms der idealen Mischung und eines Exzessterms für die Wechselwirkungen dargestellt. Die Parameter werden so bestimmt, dass sie zu Messwerten wie Zustandsdiagrammen, Wärmekapazitäten und Mischungswärmen sowie zu in Ab-initio-Rechnungen bestimmten Bildungsenergien passen, und in thermodynamischen Datenbanken zusammengefasst. Bestimmt man bei gegebener Temperatur und Zusammensetzung die Phasen und Zusammensetzungen, bei denen die Gibbs-Energie des Gesamtsystems minimal ist, lassen sich Zustandsdiagramme und Phasenanteile berechnen. Elektronengleichungen zu lösen, ist Sache der Ab-initio-Rechnung; die CALPHAD-Methode verwendet deren Ergebnisse als eine ihrer Eingangsgrößen. Da sie nicht die Linien des Zustandsdiagramms interpoliert, sondern thermodynamische Modelle verwendet, kann sie auch auf Temperaturen und Zusammensetzungen ohne Messdaten extrapolieren.

Lösung: C. Die Gibbs-Energie des Mehrstoffsystems wird aus vor allem an binären und ternären Systemen optimierten Parametern extrapoliert. Man erhält das Gleichgewicht, und außerhalb des optimierten Bereichs sinkt die Genauigkeit

Alle Zusammensetzungen eines Mehrstoffsystems experimentell zu untersuchen, ist unmöglich; mit Modellen der Gibbs-Energie lassen sich jedoch die an binären und ternären Systemen bestimmten Parameter kombinieren und die Werte des Mehrstoffsystems extrapolieren. Wechselwirkungen in quaternären und höheren Systemen werden meist als klein vernachlässigt. Auf diese Weise lassen sich Liquidustemperatur, Art und Anteil der ausgeschiedenen Phasen, Löslichkeitsgrenzen usw. technischer Legierungen vorhersagen, was das Ausprobieren bei der Legierungsentwicklung stark verringert. Man erhält jedoch den thermodynamischen Gleichgewichtszustand; ob das reale Gefüge das Gleichgewicht erreicht und wie schnell Umwandlungen ablaufen, geht daraus nicht hervor. Für die Kinetik werden Daten zur Diffusionsmobilität und Rechnungen zur Ausscheidungskinetik hinzugenommen. Mit den Werten der reinen Stoffe allein lassen sich die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten nicht beschreiben.