Anomales Kristallwachstum in unterkühlten Schmelzen von Al-Ni und Cu-Zr Legierungen

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Rettenmayr, seit 12/2016 (†)
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 179096895

Das dendritische Wachstum in unterkühlten Schmelzen von Al-reichen Al-Ni und Cu-Zr Legierungen zeigt ein anomales Verhalten. Die Wachstumsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Unterkühlung ab, ein Verhalten, das bisher bei anderen metallischen Systemen nicht beobachtet wurde.Im Rahmen des vorliegenden Projektantrags werden verschiedene Parameter und Prozesse untersucht, die zu einem solchen Verhalten führen können. Das sind Konvektionseinflüsse in der Schmelze, die Auswirkungen auf den Wärme- und Massentransport sowie auf die atomare Anlagerungskinetik ausüben kann, Vorgänge die von entscheidender Bedeutung für die Wachstumskinetik in der unterkühlten Schmelze ausüben. Des weiteren werden wichtige Parameter zur Modellierung des Wachstums durch unabhängige Experimente und MD Simulationen ermittelt. Dazu zählen die Temperaturabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten und der spezifischen Wärme im Bereich der unterkühlten Schmelze sowie der kinetische Wachstumskoeffizient. Durch die Messungen der spezifischen Wärme in unterkühlten Schmelzen von Al-Ni Legierungen soll auch der Prozess des inversen Schmelzens im Detail untersucht werden. Dieser Prozess könnte das anomale dendritische Wachstum in Al-Ni Schmelzen deuten. Inverses Schmelzen ist zwar in biophysikalischen Systemen bekannt, im Bereich der Metallforschung jedoch nur ansatzweise untersucht. Es gibt konkrete Hinweise auf inverses Schmelzen in speziellen Systemen wie z.B. Cr-Ti. Das Wachstum von Dendriten in unterkühlten Schmelzen findet auf mikroskopischer und mesoskopischer Ebene statt. Die atomare Anlagerungskinetik verläuft auf atomarer Skale. Das gleiche gilt für die atomare Diffusion, die den Massentransport steuert. Dagegen verläuft der Wärmetransport an einer fest-flüssig Grenzfläche auf mesoskopischer Skala, da der Wärmetransport deutlich schneller verläuft als der Massentransport, bedingt durch eine thermische Diffusivität die etwa um drei Größenordnungen die atomare Diffusion übertrifft.Die zur Verfügung stehenden Experimentmethoden gestatten es die wissenschaftliche Fragestellung des Vorhabens von mehreren Seiten anzugehen. Mittels der Levitationstechnik (elektromagnetisch und elektrostatisch) werden Schmelzen der Al-Ni und Cu-Zr Legierungen tief unter ihre Gleichgewichtsschmelztemperatur unterkühlt. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera werden die dendritische Wachstumsgeschwindigkeiten mit hoher Präzision als Funktion der Unterkühlung gemessen. Vergleichende Messungen im Erdlabor und in reduzierter Schwerkraft auf der Internationalen Raumstation erlauben präzise Aussagen über den Einfluss von Konvektion auf die Wachstumskinetik. Die zur Modellierung der dendritischen und auch eutektischen Wachstumskinetik notwendigen physikalischen Parameter werden durch unabhängige Experimente bestimmt um den Parameterraum einzuengen. Diese vielseitigen Untersuchungen sollen zur Klärung des anomalen Wachstums in Al-Ni und Cu-Zr führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Dieter M. Herlach, bis 12/2016 (†)