Development of RF-MEAM interaction potentials for Fe-Y
Creators: name: Koch, Sascha
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Werkstoffphysik
ODS Stahl
Molecular Dynamics
MEAM
EAM
MD Potential development
Fe-Y

description: Der Fokus dieser Arbeit lag zunächst auf einer simulationsgestützen Untersuchung über die Entsteh- ungsmechanismen von Oxidteilchen in ODS-Stählen. Hierbei bilden empirische Wechselwirkungs- potenziale von Eisen-Yttrium-Sauerstoff (Fe-Y-O) die Grundlage für eine Beschreibung dieser Oxid- teilchen-Bildungs-Prozesse in Molekulardynamik (MD) Simulationen, die auch Eigenschaften von Versetzungen und anderen Bestrahlungs-Pänomenen detailiert zur weiteren Aufklärung behandeln können. Zu diesem Zweck ist das speziell auf die Simulation zugeschnittene Anfitten der o.g. MD Potenziale (hier für Fe-Y-O) notwendig. Hierzu dienen die zuvor durchgeführten ab-initio (DFT) Rechnungen als Daten- referenzgrundlage (z.B. von Phasen oder Defekten) zur Optimierung der Potenzialparameter während des Anfittens, um ein möglichst exaktes MD Potenzial zu erzeugen, dass die ab-initio Daten auf größeren MD Skalen detailgetreu abbildet. Im ersten Drittel dieses Projektes wurden mehrere Potenziale für die einzelnen Metall-Komponenten, Fe-Fe und Y-Y, erzeugt. Dabei stellte sich heraus, dass etablierte Standardmethoden nicht in der Lage sind genaue Fe-Y Potenziale als Teillösung für das Fe-Y-O Problem zu erzeugen. Dabei wurde eine Kombination aus dem (M)EAM Modell und zur Optimierung eine LSM gestützte Software (POTFIT) genutzt. Die Komplexität des Problems liegt in den richtungsabhängigen Atombindungen, die die hier entwickelten fortgeschrittenen Simulations- und Fitmethoden benötigen. Im ersten Schritt von drei Schritten (chapter 3) wurden zunächst einmal die Defizite der Standard-Fittechniken evaluiert, indem die während des Fitting-Prozesses gefundenen Parametersets im EAM Formalismus mit der flexiblen Software POTFIT auf ihre Eignung hin gründlich untersucht worden sind. Die hierfür genutzten Fitfunktionen wurden ursprünglich Anfang 2000 von Zhou und Wadley entwickelt. Hierbei liegt die Ursache für die dann entdeckte Parameterset-Problematik darin, dass zur Beschreibung des Fe-Y Systems das Model aus drei Potentialkomponenten besteht: Fe-Fe, Y-Y und Fe-Y. Für diese einzelnen Komponenten sind die Potentialparameter erfolgreich angefittet worden mit Bezug zur Gitterkonstante und Bindungs- bzw. Kohäsionsenergie (beides mit 1% Genauigkeit bezgl. DFT Rechnungen) sowie zu allen elastischen Konstanten (5% Genauigkeit bezgl. Experimente). All dies unter Zuhilfenahme von Parametersuchraum-beschränkenden Techniken, die zur Einhaltung der oben genannten Eigenschaften dienen und urspürnglich von Johnson &amp; Oh sind. Selbst kompliziertere Defekteigenschaften, wie Zwischengitter- und Leerstellenbildungsenergien wurden erfolgreich angefittet. Das hier entwickelte EAM Potenzial für Y-Y ist z.B. in der Lage bei Eigenzwischengitteratomen die basal oktaedrische Position von Zwischengitteratomen (ZA) im Yttrium hcp-Gitter als Grundzustand und die Transition eines jeden ZAs aus einer anderen Position, wie zuvor in DFT berechnet, zu reproduzieren. Zur Bildung des angestrebten Fe-Y Potenzials wurden diese beiden Komponenten, Fe-Fe und Y-Y, zum weiteren Fitten in dem weitgefächerten und komplexen Fe-Y Potzenzialsuchraum genutzt. Die Parametersets wurden mit sogenannten hier entwickelten Hauptparameter (Key Driver) systematisch untersucht. Ein flexibleres Konzept statt der starreren Universal Binding Relations in Abhängigkeit von der Rose Gleichung. Dieser Hauptparameter zeigte eindeutig, dass die Nutzung der Rose Gleichung zur Parametersuchraum-Minimierung den Suchraum dahingehend einschränkt, sodass ein akkurates Anfitten der hier genutzten 900 DFT Datensets nicht mehr möglich ist. Allerdings ist die Orientierung im Parametersuchraum mit dieser Rose Gleichung bei standardmäßigen Optimierungsmethoden (wie LSM) unabdingbar, da ohne diese die benötigten globalen Optima für die Parameter nicht auffindbar sind. Als aufklärendes Testverfahren zur weiteren Ergründung dieser Problematik und Prüfung zur Eignung für Fe-Y Potenziale und den anschließenden Simulationen diente der Versuch, 9 verschiedene Bindungs-energien von Yttrium-Leerstellenclustern mit ansteigender Leerstellenzahl zu reproduzieren. Dieser Test konnte von diesen Potenzialen nur teilweise erfüllt werden und wurde auf die fehlende Beschreibung der Bindungswinkelabhängigkeit im Modell zurückgeführt. Die Erweiterung von EAM durch MEAM mit Winkelabhängigkeit ist jedoch keineswegs eine zufriedenstellende Lösung, da MEAM alternativlos auf der irreführenden Rose Gleichung beruht. Daher war die Benutzung des übersichtlicheren EAM Typs aus zwei Gründen nützlich: 1. MEAM braucht die Rose Gleichung um diesen komplexen Formalismus zu beherrschen mit denselben Problemen wie in EAM, aber dieses grundlegende Problem ist in MEAM deutlich schwerer zu identifizieren als in EAM. 2. Die mit EAM gefundenen, angefitteten Parameter sind eine hervorragende Startparameter-Grundlage für den verbesserten darauffolgenden RF-MEAM Typ. Im zweiten Schritt wurde das Problem aus dem ersten Schritt gelöst, indem ein modifizierter MEAM Spezialtyp im referenzlosen Format (RF-MEAM) angewandt worden ist. Im Gegensatz zum herkömmlichen MEAM wird hier die Rose Gleichung durch mehr DFT Daten und insbesondere einer intelligenteren Machine Learning ähnlichen Genetic Algorithmus (GA) Optimiertechnik ersetzt, die allerdings eine bedachte Startparameterwahl vorraussetzt, womit Schritt 1 wieder ins Spiel kommt. Die genutzte fortgeschrittene MEAMfit Software, die per GA funktioniert, wurde zwischen 2016 und 2017 funktionierend eigens dafür implementiert. Mit den in Schritt 1 gefitteten Parametern und Set-Auswahltechniken konnten die weiterführenden Fits mit optimalen Startparametern durchgeführt werden. Auf dieser Stufe waren diese Fits mit der speziell verbesserten Technik in der Lage ein detailgetreues Fe-Y Potenzial zu generieren, das sowohl alle Phasen (Fe2Y, Fe3Y, Fe5Y, Fe23Y6 und Fe17Y2 sowohl als auch reines Fe und Y) als auch die gesamte Defektdatenbasis mit einer durchschnittlichen Abweichung von ≈11% erfolgreich abbildet. Zusätzlich bestätigend zu dieser allgemeinen Übereinstimmung wurde konsequenterweise der in Schritt 1 entwickelte Test hervorragend mit einmaliger Genauigkeit bestanden, mit max. 5% Abweichung von den komlexen o.g. Y-Leerstellen Bildungsenergien. Allerdings konnte ein systematischer Fehlertrend aufgespürt werden, der Schwächen in der Fe-Fe Komponente offenbarte. Als Folge dessen wurde umgehend diese Komponente durch ein anderes etabliertes Fe-Fe Potenzial von G. Ackland mit einer extrem genauen Schmelztemperatur (nur 3% Abweichung vom Exp.) ausgetauscht. Mit diesem genauen Potenzial konnte zum ersten Mal die Clusterbildung von gelösten Yttrium Atomen in einer Eisenschmelze erfolgreich per MD Simulation auf atomarer Ebene nachgestellt werden oberhalb von 1750 K. Temperaturen darunter hatten eine Ausscheidungsbildung von Y mit sehr geringer Y-Löslichkeit (&lt;0.1%) in Übereinstimmung mit den Experimenten zur Folge. Dies wurde durch den Pot. Typ A ermöglicht, der aber die energetische Reihenfolge bei den Fe-Y Phasen nicht ganz genau einhält. Typ B hingegen hält diese ein, dort fehlt aber die Y-Clusterbildungsneigung. Durch den gebotenen Praxisbezug zur Metallurgie müssen die Löslichkeit und Clusterbildung gleichzeitig in der Simulation genau reproduzierbar sein, was aber weder Typ A noch B kann, was zum Typ A/B Dilemma führt. Dieses Typ A/B Dilemma (Phasen oder Defekt Genauigkeit) führt zum letzten dritten Schritt (chapter 5). Darin ist zusätzlich die Strukturaufklärung von der Fe17Y2 Phase mit Vergleichen zu exp. EXAFS Spektren unserer Kollaborationspartner vom ISSP (Riga) enthalten. Diese Aufklärung dient auch dazu die fehlenden magnetischen Abhängigkeiten im Potenzial zu kompensieren, da die Phasenreihenfolge mit sehr feinen Energieunterschieden wohl stark von magnetischen Wechselwirkungen geprägt ist. Obwohl Potenzial Typ B diesen (Magnetismus) nicht direkt beachtet, ist es in der Lage das tatsächlich gemessene EXAFS Spektrum größtenteils genau wiederzugeben. Allerdings offenbart eine einzige ausgeprägte Phasenverschiebung, dass die angenommene hcp Struktur durch eine unterschwellige rhombohedrale Komponente, die sporadisch in der c-Gitterrichtung auftritt, korrigiert werden muss. AIMD (DFT) Berechnungen in Kooperation mit der University of Edinburgh bestätigen dies und zeigen sogar, dass magnetische Wechselwirkungen diese Strukturmischung stabilisieren. Endgültig bestätigt werden konnte dies mit der genauen EXAFS Spektren Reproduktion mit dem durch AIMD verbesserten nochmals gefitteten Potenzialtyp B, der als neuer Typ C durch AIMD indirekt den Einfluss der magnetischen Wechselwirkungen mit einschließt. Diese erstmalige nahezu deckungsgleiche MD Simulation eines EXAFS Spektrums von einem komplexen metallischen Alloy, hier Fe-Y, stellt eine bisher unerreichte Verbesserung dar. Schließlich löst Typ C das Typ A/B Dilemma und ernöglicht eine genaue gleichzeitige MD Modellierung von Phasen- und Defekten in Fe-Y – ein Durchbruch in der MD-Potenzialentwicklung.