Bestimmung thermodynamischer Größen von Al-Si-(Cu-Mg) Legierungen mittels hochauflösender Smith-Kalorimetrie
Final Report Abstract
Globales Ziel des Projektes war die Entwicklung einer neuartigen hochauflösenden Smith-Kalorimetrie und - mittels dieser Technik - die Bestimmung thermodynamischer Größen und deren Korrelation mit der mehrstufigen Phasenbildung in Al-Si-(Cu-Mg) basierten Legierungen. Von zentraler Bedeutung ist die Entwicklung eines Heizelements, welches die große Probe, den leichten Tiegel und die leichte thermische Isolation eng umschließt. Dadurch wird die Minimierung der thermischen Masse der Probenumgebung (Isolation und Ofen) erreicht. Der Prototyp aus Spezialgraphit zeigte jedoch im Dauerbetrieb erhebliche und so nicht erwartete Probleme, die durch umfangreiche Untersuchungen vor allem auf Abbrand (Oxidation) und dadurch bedingte Änderungen der elektrischen Eigenschaften an der Kontaktfläche zurückgeführt werden konnten. Weitere ganz erhebliche Anstrengungen wurden unternommen, um diese Probleme für einen reproduzierbaren Dauerbetrieb zu lösen. Dabei wurden sowohl andere Konstruktionsmaterialen für das Heizelement (Kanthal A-1, Thermax- 4841, Schraubenmaterialien usw.) als auch erhebliche Änderungen im konstruktiven Aufbau untersucht. Daneben wurden die konstruktiven Arbeiten weitergeführt um eine funktionsfähige Gesamtapparatur aufzubauen. Für das neue Kalorimeter wurde eine hochauflösende Mess- und Regeltechnik mit gleichzeitig hoher Taktrate aufgebaut. Diese aufwendige Mess- und Regeltechnik wurde an die speziellen Erfordernisse zur Steuerung des Kalorimeters und der Messdatenerfassung angepasst. Das computergesteuerte Programm hierfür wurde aus drei miteinander verknüpften Routinen entwickelt, die auf heutigem Stand der Technik aufbauen. Damit verbunden war eine gerätetechnische Optimierung der modular aufgebauten Anlage von National Instruments. Dieser Teil ist voll funktionsfähig. Entsprechend der Gutachterempfehlung wurde eine Simulation der zu erwartenden Effekte beim Einsatz unterschiedlicher Materialien und Anordnungen in dem geplanten kalorimetrischen Aufbau begonnen. Dazu wurde die Software Abaqus verwendet. Letztlich sind unsere Bemühungen daran gescheitert, dass die thermophysikalischen Parameter an der alles entscheidenden Kontaktfläche des geteilten Heizelementes unbestimmt sind. Sowohl für den elektrischen Kontaktwiderstand als auch den thermischen Übergangswiderstand (und deren räumlichen Verteilung über die Kontaktfläche) müssen Annahmen getroffen werden, welche die zu erwartenden Ergebnisse einer numerischen Simulation extrem beeinflussen. Genau auf die Lösung dieser Probleme an der Kontaktfläche des geteilten Heizelementes haben sich ja auch unsere experimentellen Anstrengungen konzentriert. Die für einen reproduzierbaren Dauerbetrieb notwendige zeitlich konstante und räumlich symmetrische Verteilung der Eigenschaften an der Kontaktfläche stellt aber genau das Problem dar, welches wir trotz deutlicher Fortschritte im Laufe der umfangreichen konstruktiven Optimierung nicht lösen konnten. Letztlich stellt die Teilung des Heizelements den Kern des Problems dar. Wir können nach unseren Bemühungen als Ergebnis festhalten, dass für künftige Versuche einer Optimierung des Smith-Kalorimeter Prinzips ein ungeteiltes Heizelement verwendet werden sollte. Im Fazit konnte also die Grundidee eines kleinen Heizelements, welches die Probe möglichst vollständig umhüllt, von uns nicht umgesetzt werden. Daneben wurden Al-Si-Cu-Mg Probenzusammensetzungen untersucht, die für eine Validierung/Falsifikation der thermodynamischen Extrapolationsrechnungen besonders aussagekräftig sind. Dabei schält sich als eine ganz entscheidende Zusammensetzung diejenige der im quaternären System derzeit akzeptierten Phase Q (Al5Cu2Mg8Si6) heraus. In der Literatur werden unterschiedliche Angaben über die Zusammensetzung von Q gemacht, insbesondere ist eine ausreichend phasenreine Herstellung noch nicht erfolgt. Hierauf haben sich unsere Bemühungen konzentriert. Ein entscheidendes Problem bei der Präparation stellt der vermutlich peritektische Charakter der Bildungsreaktion von Q dar. Bei der Präparation wurden unterschiedliche Methoden erprobt, angefangen bei Gussproben, über Erschmelzen in BN-beschichteten Stahltiegeln bis hin zur kompletten Versiegelung in Tantal-Kapseln mit BN-Einsatz. Mit der letzten Methode sind durch gezielte Glühbehandlungen knapp unterhalb der durch vorläufige thermodynamische Rechnungen abgeschätzten Solidustemperatur Proben präpariert worden, die nur noch kleine Mengen der Fremdphasen Al2Cu und Mg2Si enthalten. Dieses Verfahren zeigt also den Weg zur möglichen Präparation einer fast einphasigen Probe auf. Allerdings kann auf diesem Wege nur eine kleine Probenmenge präpariert werden. Vergleichend zum neuen Kalorimeter wurden Messungen im konventionellen Hochtemperaturkalorimeter (Setaram MHTC96) im DSC Modus durchgeführt. Bei der Q-Phasen Probe zeigen die noch in der Probe vorhandenen Fremdphasen einen erheblichen Einfluss auf die ablaufenden Phasenumwandlungen und Reaktionen. Es werden Wege aufgezeigt, Proben zu wählen, die zumindest im ersten Aufheizzyklus genau definierte Mehrphasenreaktionen zeigen, um auf diese Weise eine Validierung/Falsifikation der bisherigen thermodynamischen Datenbasis herbeizuführen. Die Messungen an zwei technische Al-Gusslegierungen, A380.2 und A319.1, mit den Komponenten Al-Si-Cu-Mg-Fe-Zn-Mn-Ti zeigen im Wesentlichen eine vernünftige Übereinstimmung mit den thermodynamischen Berechnungen. Letztlich stellt die Teilung des Heizelements den gerätetechnischen Kern des Problems dar. Wir können nach unseren Bemühungen als Ergebnis festhalten, dass für künftige Versuche einer Optimierung des Smith-Kalorimeter Prinzips ein ungeteiltes Heizelement verwendet werden sollte.
Publications
- Development of an advanced Smith-type calorimeter, Poster, 17. Ulm-Freiberger Kalorimetrietage, Freiberg, Germany, 28. - 30. März 2007
D. Mirkovic, M. Hampl, R. Schmid-Fetzer
- Development of an advanced Smith-type calorimeter. Mezinarodni Cesky a Slovensky Kalorimetricky Seminar, 29th, Ceskomoravska vysocina, Czech Republic, May 28-June 1, 2007 (2007), pp. 51-5
Hampl, Milan; Mirkovic, Djordje; Schmid-Fetzer, Rainer
- Study of thermochemical properties of AlSiCuMg aluminum alloys in Smith-type calorimeter. Mezinarodni Cesky a Slovensky Kalorimetricky Seminar, 30th, Roznov, Czech Republic, May 26- 30, 2008 (2008), pp. 67-70
Hampl, Milan; Mirkovic, Djordje; Schmid-Fetzer, Rainer
