Solidification of titanium-aluminide under centrifugal conditions

Huang, Can; Kargl, Florian; Bührig-Polaczek, Andreas

doi:42986

Solidification of titanium-aluminide under centrifugal conditions

Huang, Can^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabesubmitted by Can Huang, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-944601-28-1

ReiheErgebnisse aus Forschung und Entwicklung ; 39

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Onlineausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak05

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-11-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-10830
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/973490/files/973490.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CA (frei) ; TiAl (frei) ; casting (frei) ; centrifugal (frei) ; solidification (frei) ; thermosolutal (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Zur Untersuchung der kolumnaren Erstarrung und die kolumnaren-zu-gleichachsig Übergang (CET) in zwei TiAl-Basis-Legierungen unter Zentrifugalbedingungen, wurden Versuchsreihen in der Large Diameter Centrifuge (LDC) der ESA sowie in der Mikrogravitation an Bord der Höhenforschungsrakete MAXUS9 durchgeführt. Die Experimente mit der Legierung Ti-46Al-8Nb (at.%) wurden durch experimentelle Mikrogefüge Charakterisierung und numerische Modellierung untersucht. Bei diesen Experimenten wurde eine zylindrische Probe (Durchmesser 7,8 mm, Länge 165 mm) aufgeschmolzen und dann in einem Gradientenzonenofen direkt erstarrt unter den gleichen thermischen Prozessbedingungen, jedoch mit unterschiedlichen Drehzahlen. Der experimentelle Parameter war also die Winkelgeschwindigkeit ω, die die resultierende Beschleunigung entgegen der Beschleunigung entgegen der Erstarrungsrichtung definiert. Ein weiteres Experiment mit dem gleichen aber vertikal angeordneten Ofen, wurde ohne Rotation als Referenz durchgeführt. Die Gefügeanalyse zeigt, dass die Erstarrung in allen Experimenten einen ausgedehnten Bereich mit instationärem kolumnaren Wachstums von β-Ti-Dendriten umfasste. Der Übergang vom kolumnaren zum radialen Wachstum wurde im 1g-Referenzexperiment beobachtet, während alle Hyper-g-Experimente zu einem CET führten. Die CET sind abhängig von ω.Um die Experimente zu untermauern, wurde ein numerisches Modell erstellt, das makroskopischen Erhaltungsgleichungen, die das Erstarrungs- und Transportphänomen regelt, mit der Finite-Volumen-Methode (FVM) gelöst und mit der Methode der zellulären Automaten (CA) für die Kinetik des Kornwachstums gekoppelt wurde. Seine Fähigkeiten umfassen die thermische Modellierung des gesamten Ofens, die Modellierung der thermosolutalen Konvektion gekoppelt mit Lever-Regel oder Scheil-Erstarrung unter der Zentrifugalbedingung im LDC, die Modellierung der Kornstruktur mit Keimbildung und dendritischer Wachstumskinetik. Es wurden Simulationen durchgeführt und zur Analyse der Experimente verwendet. Ein kritischer Übergang im Strömungsform und Mushy-zone, begleitet von einer plötzlichen Änderung von Temperaturgradient G und der unterkühlten Zone vor der kolumnaren Front, wurde beobachtet und als ein Mechanismus für den Kornstrukturübergang angesehen. Die CET-Position in der simulierten Kornstruktur mit 5g stimmt gut mit dem Experiment überein (116 mm) und es gibt einen Unterschied von 6 mm zwischen der Simulation mit 15g und dem entsprechenden sprechenden Experiment (108 mm). Die Kornstruktur ist nicht das Hauptziel der Simulationen, aber diese relativ gute Übereinstimmung rechtfertigt die Simulationen. Nach eingehender Untersuchung des Mechanismus des kritischen Übergangs und seiner Rolle bei den CET-Ereignissen wird ein neuartiger CET-Mechanismus vorgeschlagen, demzufolge die CET durch die Instabilität der Mushy-zone unter Hypergravitation verursacht werden könnte. Die Auswirkungen der Zentrifugalbedingungen auf das Korngefüge, insbesondere die CET, werden durch diesen gefundenen Mechanismus gut erklärt, was als der wichtigste neue Beitrag dieser Arbeit angesehen werden kann.

To investigate the columnar solidification and the columnar-to-equiaxed transition (CET) in two TiAl-based alloys under centrifugal condition, experiment series were performed in ESA’s Large Diameter Centrifuge (LDC) as well as in micro-gravity on-board the sounding rocket MAXUS9. The experiments with alloy Ti-46Al-8Nb (at.%) are studied by experimental microstructure characterization and numerical modeling. In these experiments a cylindrical sample (diam. 7.8 mm, length 165 mm) was molten and then solidified directionally in a gradient zone furnace under the same thermal processing conditions, however under distinct values of the rotational speed. The experimental parameter was thus the angular velocity ω, which defines the resultant acceleration opposite to the direction of solidification. Another experiment with the same setup, in the same but vertically arranged furnace, was conducted without rotation as a reference. The microstructure analysis shows that in all experiments the solidification comprised an extended region of transient columnar growth of β-Ti dendrites. The columnar-to-radial transition was observed in the 1g reference experiment, while all hyper-g experiments lead to a columnar-to-equiaxed transition (CET). The CET events are dependent on ω.To substantiate the experiments a numerical model was created, which is basically a set of macroscopic conservation equations governing the solidification and transport phenomenon solved by the finite volume method (FVM) and coupled to the cellular automaton (CA) method for grain growth kinetics. Its capabilities include the thermal modeling of the whole furnace, modeling of thermosolutal convection coupled with Lever rule or Scheil solidification under the centrifugal condition in the LDC, the modeling of grain structure with nucleation and dendritic growth kinetics. Simulations were conducted and used to analyze the experiments. A critical transition in the flow pattern and mushy zone, accompanied by a sudden change of G and the undercooled zone ahead of the columnar front, was observed and considered as a underlying mechanism of the grain structure transition. The CET position in the simulated grain structure with 5g agrees well with the experiment (116 mm) and there is a difference of 6 mm between the simulation 15g and its corresponding experiment (108mm). The grain structure is not the main target of the simulations but this relatively good agreement justifies the simulations. A novel CET mechanism that CET could be caused by instability of mush under hypergravity, is proposed after close study on the mechanism of the critical transition and its role in the CET events. The effects of the centrifugal conditions on the grain structure especially the CET, are well explained by this found mechanism, which could be considered as the most important new contribution from this work.

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