Analyse ternärer eutektischer Mikrostrukturen durch 3D Phasenfeldsimulationen und gerichtete Erstarrungsexperimente von Al-Ag-Cu Legierungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Britta Nestler; Professor Dr. Lorenz Ratke
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 191170049

Die 3D Mikrostrukturausbildung in dreiphasigen Eutektika umfasst eine breite Vielfalt an Morphologien und ist bisher in keinster Weise verstanden, insbesondere nicht die Bedingungen des Auftretens der verschiedenen regelmäßigen und unregelmäßigen Gefügestrukturen. Ziel ist daher, durch eine Kombination von 3D Phasenfeldmodellierung und Erstarrungsexperimenten ein substanzielles Verständnis über die Mikrostrukturentwicklung in Al-Ag-Cu in einem ausgewählten Geschwindigkeits- und Zusammensetzungsbereich zu gewinnen. Eine zentrale Herausforderung der Zusammenarbeit liegt in der gemeinsamen Entwicklung einer integrierten Postprocessingumgebung zur Charakterisierung der simulierten und experimentellen 3D Gefüge. Durch Implementierung geeigneter Programmierschnittstellen und identischer Analysemethoden sollen die Simulationsergebnisse mit experimentellen Aufnahmen und gemessenen Strukturgrößen verglichen werden.Das Team am KIT verwendet ein neues quantitatives Phasenfeldmodell und hinsichtlich der Performanz verbesserte Simulationsmethoden aus der ersten Förderperiode, um neue Einblicke in die 3D Mikrostrukturausbildung z.B. von Spiralen, Säulen und von gekoppeltem Wachstum zu erhalten. Ein thermodynamischer Datensatz von Al-Ag-Cu ist in die Phasenfeldmodellierung eingebunden. In Absprache mit den Experimentatoren am DLR werden die Zuggeschwindigkeit und Legierungszusammensetzung systematisch variiert und die resultierenden Konzentrationsprofile und Mikrostruktureigenschaften wie Gefügeart, Phasen- und Oberflächenanteil und Abstände ausgewertet. Durch den Einsatz des parallelen Simulationsprogramms werden 3D Studien auf Hochleistungsrechnern ermöglicht und zur Herleitung von Korrelationen zwischen Mikrostuktur und Erstarrungsbedingungen genutzt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung des Einflusses von fest-fest Anisotropie auf die Gefügebildung und morphologischen Pfade.Das Team am DLR führt unter Nutzung eines Aerogel basierten ARTEMIS Ofens gerichtete Erstarrungsexperimente durch, die aufgrund des verwendeten Silica-Aerogels die Einstellung einer ebenen fest-flüssig Grenzfläche, einer definierten Erstarrungsgeschwindigkeit und eines Temperaturgradienten vor der Grenzfläche über die Prozesslänge hinweg erlauben. Für die Experimente wird ein Geschwindigkeitsbereich von 0.1 mu m/s bis 5 mu m/s und ein Temperaturgradient von 3 K/mm eingesetzt. Die Mikrostrukturentwicklung wird mit neuen Methoden wie nächste Nachbarschaftswahrscheinlichkeiten (NN), NN Abstände zwischen den Phasen, durchschnittliche Phasenbereiche und Teilchenanzahldichten analysiert. Neben Lichtmikroskopie werden SEM zusammen mit EDX und EBSD zur Bestimmung der lokalen und globalen Konzentrations- und Phasenzusammensetzung und lokalen Orientierung verwendet. Ausgewählte Proben werden mit 3D Röntgentomographie ausgewertet. Außerdem sollen externe Messeinrichtungen wie am BESSY, DESY und ESRF angewendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen