Einfluss von Strömungen auf die Entwicklung des Mikrogefüges bei der gerichteten Erstarrung von Al-Si- und Al-Si-Mg-Legierungen

Steinbach, Sonja; Ratke, Lorenz

doi:1320

Einfluss von Strömungen auf die Entwicklung des Mikrogefüges bei der gerichteten Erstarrung von Al-Si- und Al-Si-Mg-Legierungen = The influence of fluid flow on the microstructure evolution of directional solidified Al-Si and A-Si-Mg alloys

Steinbach, Sonja

2005 & 2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sonja Steinbach

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

Umfang221 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Prüfungsjahr: 2005. - Publikationsjahr: 2006

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Ratke, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-11-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-13200
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62189/files/Steinbach_Sonja.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Gerichtete Erstarrung (frei) ; Aluminiumlegierung (frei) ; Aerogel (frei) ; Erzwungene Strömung (frei) ; Mikrogravitation (frei) ; directional solidification (frei) ; aluminum alloys (frei) ; convections (frei) ; microgravity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation untersucht experimentell den Einfluss von magnetisch kontrollierten konvektiven Bedingungen auf die Entwicklung derMikrostruktur in Al-Gusslegierungen. Proben der technischen Al-7wt.%Si-0,6wt.%Mg (A357) Legierung und des binären Gegenstücks Al-7wt.%Si wurdengerichtet über einen weiten Bereich konstanter Erstarrungsgeschwindigkeiten(0,0075 - 0,15mm/s) hinweg bei einem mittleren konstanten Temperaturgradienten(3K/mm) in der Ofenanlage ARTEMIS sowohl unter natürlichen konvektivenBedingungen als auch unter erzwungenen Strömungsbedingungen erstarrt. ARTEMISnutzt die extremen Eigenschaften transparenter nanostrukturierter Silicaaerogele als Tiegelmaterial, die zu planaren Isothermen in der Probe führen und die optische Beobachtung des Erstarrungsprozesses erlauben. Drei Helmholtz-Spulenpaare um die zylindrischen Proben (120mm Länge, 8mm Durchmesser)induzieren ein homogenes rotierendes Magnetfeld (3mT und 6mT bei 50 Hz), das eine kontrollierte Strömung in der Schmelze nahe der fortschreitenden fest-flüssig Phasengrenze anregt.Die angeregte laminare Strömung bewirkt einen ausgeprägten Segregationseffekt,der zu einer Deformation der Erstarrungsfront führt. Für hohe magnetische Induktionen beobachtet man in der Probenlängsachse einen Wechsel zur rein eutektischen Erstarrung. Die Untersuchungen zeigen, dass Gefügekenngrößen wie der primäre Dendritenabstand, der sekundäre Dendritenarmabstand, der Abstand imlamellaren Eutektikum und der Anteil fester Phase sich in einer einzigartigen Art und Weise mit der Erstarrungsgeschwindigkeit und der Stärke des Magnetfeldes ändern. Während der Primärdendritenabstand unter dem Einfluss konvektiver Strömungsbedingungen abnimmt, nimmt der sekundäre Dendritenarmabstand zu. Der Vergröberungsexponent ändert sich von 1/3 zu 1/2. Die Ergebnisse sind mit den vorhandenen Theorien von Hunt und Lu bzw. Lehmann für den Primärabstand und Ratke und Thieringer und Diepers und Beckermann für den Sekundärarmabstand beschreibbar.Die Ergebnisse weisen auf eine mögliche Unzulänglichkeit von Laborexperimentenhin: in Laboranlagen zur gerichteten Erstarrung scheint keine ausreichende Kontrolle der natürlich vorhandenen Strömungen möglich zu sein. Daher ist ein Vergleich zwischen experimentellen Ergebnissen und theoretischen Vorhersagen, die nur diffusive Wärme- und Stofftransportbedingungen berücksichtigen, schwierig. Um den Einfluss von Strömungseffekten zu untersuchen, sind Experimente unter Mikrogravitationsbedingungen ein ideales Hilfsmittel. Daher wurden für Experimente unter Mikrogravitationsbedingungen auf Höhenforschungsraketen Aerogel basierte Ofenanlagen zur gerichteten Erstarrung mit und ohne Spulensystem entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Primärdendritenabstand unter Mikrogravitationsbedingungen gerichtet erstarrter Proben einer Al-6wt.%Si-Legierung ansteigt und der Sekundärdendritenarmabstand abnimmt im Vergleich zu unter Erdbedingungen erstarrten Proben.

The effect of magnetically controlled convective conditions on the microstructure formation in cast Al-alloys is investigated. A technical Al-7wt.%Si-0.6wt.%Mg alloy (A357) and the binary counterpart Al-7wt.%Si have been directionally solidified upwards over a wide range of constant solidification velocities (0.0075 - 0.15mm/s) under medium temperature gradient (3K/mm) in the furnace facility ARTEMIS under natural convective and forced fluid flow conditions. This kind of furnace facility utilizes the extreme properties of transparent nanostructured silica aerogels as a crucible material, leading to flat isotherms and allowing the direct optical observation of the solidification process. Three pairs of Helmholtz coils around the cylindrical sample (120mm length, 8mm in diameter) induce a homogeneous rotating magnetic field (3mT and 6mT at 50Hz) being able to generate a controlled fluid flow in the melt close to the growing solid-liquid interface.The application of rotating magnetic fields during directional solidification results in pronounced segregation effects, leading to a deformation of the solidification front. For high magnetic field strengths a change to pure eutectic solidification at the axis of the sample is observed. The investigations show that the microstructural features like the primary dendrite, the secondary dendrite arm spacing, the eutectic spacing and the fraction solid change in a unique manner with solidification speed and rotating magnetic field strength. The scientific results indicate a significant decreasing of the primary dendrite spacing, whereas the secondarydendrite arm spacing increases when a convective solute transport regime is approached. The ripening exponent changes from 1/3 toward a value of 1/2. The results are describable with the available theories of Hunt and Lu and Lehmann respectively for the primary spacing and Ratke and Thieringer and Diepers and Beckermann for the secondary dendrite arm spacing. The results point to a possible pitfall of laboratory experiments: there seems tobe no sufficient control on the fluid flow within laboratory facilities for directional solidification and thus a comparison of the results with theoretical predictions, considering diffusive heat and mass transport conditions, seems to be difficult and not free enough from fit parameters. Consequently, one of the most fruitful approaches to study convection induced effects has been the utilization of microgravity solidification experiments. Therefore aerogel based furnace facilities with and without a coil system for experiments under microgravity conditions on sounding rockets were developed and tested succesfully. The experimental results indicated that the primary spacing of Al-6wt.%Si samples directional solidified in microgravity increased and the secondary dendrite arm spacing decreased, when compared with similar samples solidified under earth conditions.

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