Thermophysical properties of liquid Al-Ti alloys under the influence of oxygen

Wessing, Johanna; Brillo, Jürgen; Bührig-Polaczek, Andreas

doi:HT019765634

Thermophysical properties of liquid Al-Ti alloys under the influence of oxygen = Thermophysikalische Eigenschaften von flüssigen Al-Ti Verbindungen unter dem Einfluss von Sauerstoff

Wessing, Johanna^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Johanna Wessing

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (174 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Brillo, Jürgen (Thesis advisor)^RWTH* ; Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-05-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-226743
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/730189/files/730189.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/730189/files/730189.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
high-temperature, thermophysical properties, metallic melts, Aluminium, Titanium, electromagnetic levitation EML, microgravity, excess properties, oxygen, oxides (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die primäre Zielsetzung dieser Arbeit war es, thermophysikalische Eigenschaften von Al, Ti und binären Al-Ti-Schmelzen zu untersuchen und damit Datenbanken zu diesem System zu vervollständigen. Zusätzlich hat sich gezeigt, dass sich das binäre System Al-Ti als geeigneter Ausgangspunkt für mehrkomponentige und industriell verwendete Al-Ti-Legierungen anbietet und damit einem Bedarf an thermophysikalischen Daten in der Materialverarbeitung entgegenkommt. Die Grundlage für alle Messungen dieser Arbeit war die elektromagnetische Levitation (EML). Da Al-Ti-Legierungen sehr reaktiv sind und bei erhöhten Temperaturen stark abdampfen, können herkömmliche, Behälter gestützte Verfahren zu Schwierigkeiten führen. Die EML Technik bietet den Vorteil des berührungsfreien Messens, wodurch Fehlerquellen minimiert werden und mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Die Messungen dieser Arbeit wurden am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), am Institut für Materialphysik im Weltraum in Köln, Deutschland und am Fukuyama Lab an der Tohoku Universität in Sendai, Japan durchgeführt. Dichtemessungen, ρ, in Abhängigkeit der Temperatur wurden über den gesamten Zusammensetzungsbereich von flüssigen binären Al-Ti-Legierungen realisiert. Die Dichte von allen Al-Ti-Legierungen nimmt mit zunehmender Temperatur linear ab und verringert sich mit steigendem Al-Molanteil. Im ganzen System stellt sich ein signifikant negatives molares Exzessvolumen ein. Dies kann dadurch begründet werden, dass sich während des Mischens die Atomradien zwischen den Al-Atomen verkleinern, was auf makroskopischer Ebene zu einem reduzierten molaren Volumen führt. Die Emissivität, ε, von Al70Ti30, Al50Ti50, Al20Ti80 und Ti wurde in Abhängigkeit der Wellenlänge und der Temperatur gemessen. Bei allen Verbindungen zeigt sich eine vernachlässigbare Temperaturabhängigkeit. Die Ergebnisse in Abhängigkeit der Zusammensetzung stimmen sehr gut mit Literaturdaten zu binären und mehrkomponentigen Al-Ti-Legierungen überein. Die daraus gewonnenen Werte wurden als Eingangsparameter für isobare Wärmekapazitätsmessungen verwendet. Entsprechend den Emissivitätsmessungen wurden Wärmekapazitätsmessungen an denselben flüssigen Al-Ti-Verbindungen durchgeführt. Hierbei zeigt sich ebenfalls eine vernachlässigbare Temperaturabhängigkeit. Die Wärmekapazitätsergebnisse in Abhängigkeit des Al-Molanteils wurden mit Literaturergebnissen und der Neumann-Kopp Regel verglichen. Die Abweichung zwischen den Messwerten und der Neumann-Kopp-Regel, die Exzesswärmekapizität wurde ausgewertet und zeigt durchgehend positive Werte. Die Viskosität, η, von flüssigem Al50Ti50 wurde als Funktion der Temperatur in reduzierter Schwerkraft in der DLR μg-EML Anlage, TEMPUS während eines Parabelfluges gemessen. Die Ergebnisse wurden mit einem Arrhenius Fit angepasst. Die isotherme Viskosität bei 1750 K zeigt eine positive Abweichung von der linearen Viskositätsabhängigkeit zwischen den reinen Elementen. Zusätzlich wurden Viskositätsmodelle nach Hirai, Kaptay und Kozlov in Abhängigkeit der Zusammensetzung berechnet, wobei sich die engste Übereinstimmung der Messergebnisse mit dem Kozlov-Modell erkennen lässt. Oberflächenspannungsmessungen, γ, wurden an zehn Al-Ti-Verbindungen in Abhängigkeit der Temperatur realisiert, einschließlich Messungen an Al50Ti50, die unter Mikrogravitationsbedingungen durchgeführt wurden. Bei allen Verbindungen sinkt die Oberflächenspannung linear mit steigender Temperatur ab und erhöht sich mit sinkendem Al-Molanteil. Die isotherme Oberflächenspannung bei 1950 K zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Modellen nach Butler und Chatain für subreguläre nicht-ideale Lösungen in Abhängigkeit der Zusammensetzung. Bei allen Legierungen ist eine positive Exzessoberflächenspannung erkennbar, zurückzuführen auf eine unterdrückte Oberflächensegregation der oberflächenaktiven Komponente Al durch interatomare Anziehungen. Außerdem wurde der Einfluss von Sauerstoff auf die Oberflächenspannung von Al- und Ti-Schmelzen untersucht. Die entsprechenden Messungen wurden in Abhängigkeit der Zeit, des Sauerstoffpartialdrucks des umgebenden Gases und der chemischen Zugabe von Sauerstoff zu Ti in Form von TiO2 durchgeführt. Bei allen Zusammensetzungen und über den gesamten gemessenen Bereich zeigen die Oberflächenspannungsdaten eine vernachlässigbare Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck. Allerdings nimmt die Oberflächenspannung mit zunehmender chemischer Zugabe von Sauerstoff im Ti-O-System logarithmisch ab, was sich mit der Belton/Szyszkowski Adsorptionsgleichung angepasst werden kann. Daraus lässt sich schließen, dass eine Reduktion der Oberflächenspannung von flüssigem Ti bei höheren Sauerstoffpartialdrücken stattfindet als angenommen und durch die Messungen abgedeckt (> 10 Pa). Im Fall von flüssigem Al wurden im Rahmen der Arbeit maximale Sauerstoffpartialdruckgrenzen für eine „saubere" Oberfläche berechnet. Die Oberflächenspannungsmessergebnisse für „saubere“ Bedingungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit entsprechenden Literaturwerten. Daraus kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass diese Messungen auf oxidfreie Probenoberflächen mit keinem oder geringfügig absorbierten Sauerstoff hinweisen. Abschließend wurden alle thermophysikalischen Eigenschaften, die in dieser Arbeit untersucht wurden, im Hinblick auf Exzesseigenschaften und den Zusammenhang mit der Mischungsenthalpie und der Gibbs-Energie analysiert. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass Al-Ti bei allen untersuchten Eigenschaften in der Regel ein sehr nicht-ideales Verhalten zeigt. Hierbei interagieren die meisten Eigenschaften direkt oder indirekt. Trotzdem konnte kein einheitlicher Trend beobachtet werden, da das Spektrum der beitragenden Prozesse zu umfangreich ist.

The central objective of this work was to study thermophysical properties of liquid Al, Ti, as well as the creation and completing of materials databases with systematically varied compositions in the binary Al-Ti system. Also, it has been found that thermophysical property data on the binary Al-Ti system are also a good starting point for investigations on multicomponent alloys and industrially used compounds, as well as the need for thermophysical data for materials processing. The overall method used for the measurements of this work was electromagnetic levitation (EML). As Al-Ti alloys are highly reactive and generally show high evaporation at elevated temperatures, conventional container-based techniques render vast difficulties. Therefore, contact-free electromagnetic levitation methods offer many advantages, enable to minimize error sources and measure with high accuracy. The measurements were performed at the German Aerospace Center (DLR), Institute of Materials Physics in Space in Cologne, Germany and at the Fukuyama lab at Tohoku University in Sendai, Japan. High-temperature density, ρ, measurements as a function of temperature were performed over the whole Al-Ti composition range. The data were analyzed concerning the density at liquidus temperature, the molar volume, the density temperature coefficients, the thermal volume expansion coefficient, and the excess molar volume. For all Al-Ti compositions, the density decreases linearly with increasing temperature. Additionally, the density at liquidus temperature decreases gradually with increasing Al mole fraction from 4.12 g/cm^3 to 2.30 g/cm^3 for pure Ti and Al, respectively. It was found that Al-Ti exhibits significantly large negative values for the excess molar volume. It was suggested that shrunk Al radii upon mixing contribute to that mechanism. The normal spectral emissivity, ε, of four compositions in the Al-Ti system was measured in dependence of the wavelength and temperature. It was found that all compositions show negligible temperature dependence. The emissivity results at a wavelength of 940 nm, amount to 0.30, 0.32, 0.40 and 0.37 for Al70Ti30, Al50Ti50, Al20Ti80 and Ti, respectively. The composition dependence of the emissivity results of the Al-Ti melts is in very good agreement with literature data of binary and multi-component Al-Ti-based alloys. The obtained values were used as input data for the isobaric heat capacity measurements of this work, analogously conducted of the same four compositions of liquid Al-Ti melts as a function of temperature. For all compositions, the isobaric heat capacity shows negligible temperature dependence with average values of 57.59, 46.20, 54.61 and 48.50 J/K/mol for Al70Ti30, Al50Ti50, Al20Ti80 and Ti, respectively. The composition dependence of the isobaric heat capacity results at constant pressure was compared to results by the Neumann-Kopp rule and literature. The deviation between the measured values and the Neumann-Kopp rule, the excess heat capacity was evaluated, exhibiting positive values for all compositions. High-temperature viscosity, η, of liquid Al50Ti50 was measured as a function of temperature during parabolic flight measured in the DLR μg-EML facility, TEMPUS. The results were fitted by an Arrhenius law with 2.23 mPas and 1.27∙104 J/mol corresponding to the Arrhenius fit parameters, η_∞ and E_A, respectively. The isothermal viscosity at 1750 K shows a positive deviation from the linear composition dependence of the pure elements. The Hirai model, the Kaptay model and the Kozlov model were calculated to predict the composition dependence of the viscosity in the Al-Ti system with the closest agreement of the experimental results found with the Kozlov model. The surface tension, γ, of ten compositions in the Al-Ti system was measured as a function of temperature, including Al50Ti50 surface tension data obtained under microgravity conditions. For all compositions the surface tension decreases linearly with rising temperature yielding linear fit parameters; the surface tension at liquidus temperature, and the surface tension temperature coefficient. In addition, within the measured composition range, the surface tension increases gradually with decreasing Al mole fraction at the respective liquidus temperatures. The isothermal surface tension at T=1950 K is in good agreement with predictions according to the Butler and the Chatain model for subregular nonideal solutions. A positive excess surface tension was evaluated over the whole composition range with a suppressed surface segregation of the surface-active component Al due to interatomic attractions. Additionally, the influence of oxygen on Al and Ti melts was investigated with regards to the surface tension. Surface tension measurements were conducted as a function of time, the oxygen partial pressure in the surrounding gas and chemical addition of oxygen to Ti in the form of TiO2. For all composition, the surface tension results showed a negligible dependence on the oxygen partial pressure over the measured range. However, with increasing chemical addition of oxygen to Ti in the form of TiO2, the surface tension decreased gradually. All results for Ti-O were fitted by the Belton/Szyszkowski adsorption equation. Overall it was suggested in the case of liquid Ti, that the reduction of the surface tension of occurs at higher oxygen concentrations than assumed and covered (> 10 Pa). Concerning liquid Al, the maximum oxygen partial pressure boundaries in the chamber and the sample’s vicinity for a “clean” surface were calculated. The Al surface tension results for ‘clean conditions’ are in very good agreement with corresponding literature results. It was suggested that these measurements relate to oxide free surfaces with either zero or minor adsorbed oxygen particles. Finally, all thermophysical properties investigated in this work were compared with special regards to excess properties and the relations to the enthalpy of mixing and the Gibbs free energy of formation. Overall it was shown that liquid Al-Ti alloys generally exhibit highly nonideal behaviour for all investigated thermophysical and thermodynamic properties. Most of the properties are directly or indirectly interacting, however, no unified trend over all properties could be observed as the range of processes contributing are too wide-ranging.

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