Casting and characterization of Cu-Al-bilayer composites
Final Report Abstract
Ein primäres Ziel des Projekts war es, die grundlegenden Zusammenhänge zwischen den Prozessbedingungen beim Verbundgießen, den metallurgischen Vorgängen bei der Verbundbildung sowie den daraus resultierenden technologischen Eigenschaften von Cu-Al-Schichtverbunden zu erforschen. Mittels der gewonnenen Kenntnisse sollten weiterhin numerische Modelle zur Prozessund Gefügesimulation erarbeitet werden, welche gemeinsam mit den experimentellen Daten eine möglichst genaue Prognose der Eigenschaften der Verbunde ermöglichen. Hierfür wurden zunächst Versuche in verlorenen Formen durchgeführt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde eine modulare Dauerform zur Durchführung von Cu-Al Verbundgießversuchen unter variablen Prozessparametern (At, T Substrat, R, TKühlstart) entwickelt, mittels derer umfangreiche Versuchsreihen durchgeführt wurden. Die Untersuchungen zur Variation der At ergaben, dass bereits ohne eine externe Schutzgaszufuhr eine Verbundbildung möglich ist. Eine Verbesserung wurde durch die zusätzliche Spülung der Form mit Argon erzielt. Eine deutliche Verschlechterung der Verbundbildung wurde hingegen unter Einsatz von Formiergas beobachtet. Alle weiteren Untersuchungen wurden daher mit Argon als Spülgas durchgeführt, um eine sichere Verbundbildung zu gewährleisten. Die Variation von TSubstrat und R ergab eine direkte Abhängigkeit der Schichtdicken der entstehenden intermetallischen Phasen von diesen Prozessgrößen. So nehmen insbesondere die Dicken der eutektischen Phase und der Al2Cu Schicht mit höheren TSubstrat und R deutlich zu, wodurch eine gezielte Beeinflussung der Phasendicken durch die Prozessführung ermöglicht wird. Über diese Parameter können die Umformbarkeit auf Druckbelastung und der elektrische Widerstand der Verbunde unmittelbar variiert werden, da beide Größen eine Abhängigkeit von den Schichtdicken zeigen. Keine signifikante Beeinflussung der Phasendicke konnte über die Variation von T Kühlstart, und damit der Abkühlrate, festgestellt werden. Basierend auf den experimentellen Untersuchungen wurde ein numerisches Modell zur Prozesssimulation mit der Software WinCast entwickelt, mit dem eine hinreichend genaue Berechnung der thermischen Prozessbedingungen ermöglicht wird. Somit können auch Parameterkonfigurationen untersucht werden, die mit dem experimentellen Versuchsaufbau nicht abgedeckt wurden, z.B. verändertes Volumen des Cu-Substrats oder deutlich stärkere Kühlleistungen. Insbesondere kann der experimentelle Aufwand weiterführender Untersuchungen deutlich reduziert werden. Darüber hinaus wurde auf Basis des quelloffenen CFD-Codes OpenFOAM ein Simulationsmodell entwickelt, welches das Wachstum der intermetallischen Verbundschicht zwischen zwei verbundgegossenen Werkstoffen beschreibt. Das Modell wurde über Tauchversuche kalibriert und validiert, wobei die Diffusionskoeffizienten der Elemente und Verbindungen iterativ durch Anpassung an die experimentellen Ergebnisse bestimmt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell in der Lage ist, auch in einem vertikalen Verbundgießprozess die Verbundschicht mit ihren intermetallischen Phasen und ihren Schichtdicken hinreichend genau zu berechnen. Insgesamt bleibt festzuhalten, dass die primäre Steuerung des Schichtwachstums beim Verbundgießen von Cu-Al-Verbunden über die thermischen Bedingungen zum Angießzeitpunkt und das Verhältnis der Verbundpartner zueinander ermöglicht wird. Die erarbeiteten numerischen Modelle lassen sowohl eine hinreichend genaue Simulation der Prozessführung als auch des Schichtwachstums zu, wodurch weiterführende Arbeiten ermöglicht werden. So ist eine Umsetzung des Cu-Al-Verbundgießens auf ein kontinuierliches Verfahren denkbar, mittels dem industrierelevante Formate, z.B. für die Elektroindustrie, gefertigt werden könnten. Weiterhin sollten sich folgende Forschungsvorhaben mit der Möglichkeit metallurgischer Maßnahmen auseinandersetzten, um die Phasenbildung zusätzlich zu beeinflussen.
Publications
- Development and validation of a numerical model for intermetallic layer growth during composite casting of Cu-Alcompounds. Proceedings of the 5th Decennial International Conference on Solidification Processing, Old Windsor (2017)
Starykov O, Woelck J, Pintore M, Tonn B, Volk W
- Experimental investigations on the influence of the thermal conditions during composite casting on the microstructure of Cu-Al-bilayer-compounds. Int. J. Metalcast. (2017)
Pintore M, Starykov O; Mittler T; Volk W; Tonn B
(See online at https://doi.org/10.1007/s40962-017-0140-0)
