Erstarrung von metallischen Legierungen in sehr dünnen Kapillaren - Studie der Anisotropie der fest-flüssig-Grenzflächenenergie mit einem neuen Ansatz

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Rettenmayr (†)
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274832340

Die Anisotropie der Grenzflächenenergie der fest-flüssig-Phasengrenze ist von zentraler Bedeutung für zahlreiche Aspekte des Erstarrungsprozesses metallischer Werkstoffe und beeinflusst die Morphologie eines erstarrenden Festkörpers stark. Die experimentelle Trennung der Anisotropieeffekte von anderen Effekten wie etwa Morphologieänderungen durch Konvektion ist allerdings äußerst schwierig. Bisherige Methoden zur experimentellen Bestimmung von Anisotropieparametern sind mit erheblichem experimentellem Aufwand verbunden und weisen große Streubreiten auf.Im beantragten Projekt soll erstmals die Erstarrung metallischer Legierungen in sehr dünnen Kapillaren mit Durchmessern in der Größenordnung von 1µm experimentell untersucht werden. Bisher dokumentierte Versuche mit Legierungen in Kapillaren kamen nicht unter Durchmesser von 200µm. In den hier untersuchten dünnen Kapillaren ist die Schmelzkonvektion soweit wie experimentell überhaupt möglich unterdrückt, was die Untersuchung der Grenzflächenform in einem quasi fluktuationsfreien Zustand ermöglicht. Die Grenzfläche wird durch gerichtete Erstarrung im morphologisch instabilen Bereich erzeugt und durch Dekoration mit Zweitphasen beim Abschrecken post mortem im Rasterelektronenmikroskop sichtbar. Durch die Kombination von Tomographie mit fokussiertem Ionenstrahl und Rückstreuelektronenbeugung wird dann die dreidimensionale Spitzenform in Abhängigkeit ihrer kristallographischen Wachstumsrichtung untersucht.Auf numerischer Seite wird eine jüngst entwickelte "Meshless Front Tracking" (MFT)-Methode zur Simulation von Phasenumwandlungen auf die in der Kapillare vorliegenden Bedingungen erweitert. Die MFT-Methode ist im Unterschied zu etablierten Simualtionsmethoden frei von jeglichem anisotropem Einfluss des Simulationsgitters auf das Simulationsergebnis und damit für die Behandlung von Anisotropieeffekten besonders geeignet. Mit dieser Methode wird der Einfluss der Anisotropie der Grenzflächenenergie sowie der kristallographischen Wachstumsrichtung auf die Form der Wachstumsfront rechnerisch nachvollzogen. Aus der Kombination von Simulation und Experiment werden auch Rückschlüsse auf den Grad der Anisotropie gezogen und Anisotropieparameter bestimmt. Das beantragte Projekt stellt damit gleichzeitig eine Machbarkeitsstudie zu einer neuen Messmethode und eine Studie zur Auswirkung der Anisotropie auf das Wachstum dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen