Ein volume-averaging Model dendritischer Erstarrung

Motivation Die Motivation ist die Weiterentwicklung und Verifikation eines Mehrphasenerstarrungsmodells, welches die dendritische Erstarrung mit Schmelzenströmung und Kristallsedimentation berücksichtigt. Das Modell soll die dendritische Wachstumskinetik, welche in der Längenskala der Phasengrenzflächen auftritt, mit den globalen Transportphänomenen (Erhaltung von Masse, Konzentration, Impuls, Energie) in der Längenskala von industriellen Prozessen kombinieren. Ein solches Erstarrungsmodell ist bisher noch nicht verfügbar aber von großem Interesse. Methoden Im Rahmen dieses Projektes wird ein 5-Phasen-Erstarrungsmodell mit einen volume-averaging Ansatz entwickelt. Die fünf Phasen sind: die äquiaxialen Dendriten, die interdendritische Schmelze innerhalb der äquiaxialen Körner, die kolumnaren Dendriten, die interdendritische Schmelze zwischen den kolumnaren Dendritenarmen und die extradendritische Schmelze. Die Grundlagen des volume-averaging Ansatzes wurden von Beckermann et al. in den 1990er Jahren beschrieben, während die Idee der Modellierung der dendritischen Morphologie von Rappaz et al. in den späten 1980er Jahren vorgeschlagen wurde. Diese Arbeiten wurden seither durch einige Forscher, inklusive dem Antragssteller, weiterentwickelt. Der kommerzielle CFD Code FLUENT wird dabei zur Lösung der globalen Transportphänomene verwendet. Die Erstarrungskinetik wird räumlich gemittelt (volume-averaged), und in FLUENT über eine User-Programmierschnittstelle implementiert. Die Modellannahmen müssen verifiziert werden. Einerseits soll diese Verifikation durch Vergleich mit anderen, vorhandenen theoretischen Modellen und andererseits durch den Vergleich mit realen Gussteilen (Al-Cu Blockguss) stattfinden. Im zweiten Fall, dem Blockguss, sollen das makroskopische Gussgefüge sowie die Mikrostruktur als auch die Konzentrationsverteilung ermittelt und mit den numerischen Vorhersagen verglichen werden. Wissenschaftliche Impulse und erwartete Resultate " Verbesserung des Wissens über den Einfluss von Schmelzenströmung und Kristallsedimentation auf die Ausbildung des Gussgefüges inklusive CET (columnar-to-equiaxed transition). " Vertiefung des Verständnisses über die Makroseigerungen. " Die Entstehung von inter- und extradendritischen Phasen (Eutektikum) während der Erstarrung ist sowohl für die Wissenschaft als auch in ingenieurtechnischer Hinsicht von großer Bedeutung. " Da das Modell auf dem volume-averaging Ansatz aufbaut, kann es direkt für industrielle Prozesse angewandt werden, um das Gussgefüge und die Mikrostruktur, die Korngrößenverteilung, die lokalen inter-/extradendritischen Phasen, die Makroseigerung, etc. quantitativ vorherzusagen. Die Forschungsergebnisse werden in peer-reviewed Fachzeitschriften und auf internationalen Konferenzen veröffentlicht.

Irgendwann im Verlaufe des Herstellprozesses eines jeden metallischen Bauteils erfolgte einmal eine Erstarrung des geschmolzenen Ausgangsmaterials. Das dabei entstehende Erstarrungsgefüge hat großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des späteren Bauteils. Obwohl das Gießen von Metalllegierungen schon eine mehrere tausend jährige Geschichte hat, ist unser Verständnis der Entstehung eines Erstarrungsgefüges noch sehr bruchstückhaft. Wie wird z.B. die Schmelzenströmung durch die Entstehung von dendritischen Stängelkristallen (Schneeflocken ähnliche längliche Strukturen) beeinflusst? Wie wechselwirken frei bewegliche Kristalle mit ortsfesten Stängelkristallen? Welche Bereiche des Erstarrungsgefüges bestehen ausschließlich aus Stängelkristallen, welche aus eher rundlichen schneeflocken-ähnlichen Kristallen sogenannten äquiaxialen dendritischen Kristallen, und welche Bereiche weisen eine Mischform auf? Zur Beantwortung solcher und ähnlicher Fragen, wird sowohl von Physikern als auch von Gießereiingenieuren eine adäquate numerische Prozessbeschreibung gefordert.Der Antragsteller hat eine solche numerische Prozessbeschreibung vorgeschlagen, die im Rahmen dieses Projektes mit experimentellen Fakten verglichen und entsprechend verfeinert werden sollte. Das Programm benutzt die Erhaltung von Masse, Impuls, Enthalpie und Legierungsbestandteilen für die Schmelze, die dendritischen Stängelkristallen, die Schmelze innerhalb der dendritischen Stängelkristallen, für die äquiaxialen dendritischen Kristallen und die Schmelze innerhalb der äquiaxialen dendritischen Kristallen. Im Rahmen dieses Projektes wurden entsprechende Vorhersagen mit folgenden drei unterschiedlichen Erstarrungsexperimenten verglichen: gerichtete Erstarrung unter reduzierter Schwerkraft (rein diffusiv ohne Strömung) einer transparenten binären Neopentylglycol-Camphor Legierung; strömungsdominierte Erstarrung einer transparenten Ammonium-Wasser Legierung; und Kokillenguss mit Aluminium-Kupfer-Legierungen. Der Vergleich der experimentellen Fakten mit den numerischen Vorhersagen lieferte neue Details insbesondere bezüglich: (i) Transport der äquiaxialen dendritischen Kristalle und ihr Einfluss auf die Erstarrungsgefüge; (ii) Mechanismen der Makroseigerung durch natürliche Konvektion und Kristallsedimentation; (iii) Übergang von Stängelkristallen zur äquiaxialen dendritischen Kristallen; (iv) Einfluss der dendritischen Kristallmorphologie auf die Erstarrungsgefüge. Entsprechende Erkenntnisse wurden in weltweit anerkannten Fachzeitschriften publiziert und auf internationalen Konferenzen präsentiert.