Untersuchung des Emissionskoeffizienten flüssiger Metalle

Die Simulation von Gießprozessen hat sich in den letzten Jahren weit entwickelt, mit entsprechenden Computerprogrammen können Schmelzeströmung, Wärmetransport, Eigenspannungen und teilweise sogar Mikrostruktur modelliert werden. Für solche Simulationen müssen eine Vielzahl thermophysikalischer Eigenschaften als Eingangsparameter bekannt sein, um wirklichkeitsnahe Ergebnisse zu erzielen. Leider sind jedoch die thermophysikalischen Daten von flüssigen Metallen nicht immer mit der benötigten Genauigkeit verfügbar. Ein schnelles Photopolarimeter zur Bestimmung des normalen spektralen Emissionskoeffizienten bei einer Wellenlänge von 685 nm wurde in den bestehenden ohmschen Pulsaufheizungs-Messkreis zur Bestimmung thermophysikalischer Daten flüssiger Metalle integriert. Dieses Polarimeter zeichnet sich dadurch aus, dass die Messung des Polarisationszustands auf die Messung von vier Intensitäten eines Laserstrahls nach der Reflexion an der Probenoberfläche reduziert wird. Da bei diesem Messaufbau keine beweglichen Teile notwendig sind, können damit auch Messungen bei dynamischen Experimenten im sub--Sekunden Bereich durchgeführt werden. Dabei ist der Polarisationszustand des einfallenden Laserstrahls bekannt und man misst jenen des reflektierten Strahls. Aus dieser Änderung des Polarisationszustands kann eindeutig auf die Materialparameter Brechungsindex und Extinktionskoeffizient geschlossen werden, woraus der normale spektrale Emissionskoeffizient mittels Standartgleichungen der Ellipsometrie folgt. Innerhalb dieses Projektes war es zum erstenmal möglich, den normalen spektralen Emissionskoeffizienten von Metallen in einem weiten Temperaturbereich im flüssigen Zustand zu ermitteln. Diese Daten tragen bei der kontaktlosen Temperaturmessung wesentlich zu einer Verminderung der Messunsicherheit bei. Die dabei in der flüssigen Phase ermittelten Daten wie spezifische Wärmekapazität, spezifischer elektrischer Widerstand, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit werden vor allem in der Automobilindustrie und in der metallerzeugenden/verarbeitenden Industrie benötigt für die Simulation von Gußprozessen und Schweißvorgängen, zur Entwicklung und Simulation von modernen Apparaturen zum Ziehen von Einkristallen aus der Schmelze, um Phasendiagramme zu erhalten, für Temperatursekundärnormale, für die genaue Bewertung von potentiellen Unfällen beim Design sicherer Kernreaktoren und für die Luft- und Raumfahrtstechnik. Als Ergebnisse dieses Projekts wurde der normale spektrale Emissionskoeffizient der Metalle Niob, Nickel, Tantal, Wolfram und Kupfer sowie der Super-Legierung Inconel 718 vom Schmelzen bis einige 100 Grad in die flüssige Phase erhalten. Damit wurde die Genauigkeit der gemessenen thermophysikalischen Daten wie z. B. spezifische Wärmekapazität, spezifischer elektrischer Widerstand, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit für die flüssige Phase wesentlich verbessert.