Entstehung des Gussgefüges und der Makroseigerung

Motivation und Ziele: Bei der Herstellung von Bauteilen aus Metall spielt die Erstarrung häufig eine ent- scheidende Rolle. Die Zustandsänderung von flüssig nach fest ist mit einer Vielzahl von Phänomenen verbunden, weshalb es bis heute sehr herausfordernd ist ein gewünschtes Gefüge mit einer homogenen Verteilung der Legierungselemente einzustellen. Hauptursache hierfür ist das Auftreten von Strömungen in der Schmelze und die gleichzeitige Bewegung entstehender Kristalle. So ergibt sich auf der Internatio- nalen Raumstation, wo keine natürliche Konvektion auftritt, ein ideal stängelkristallines Gefüge und ein teilweise stängelkristallines, teilweise äquiaxiales Gefüge unter identischen Bedingungen im terrestri- schen Labor. Ein Erklärungsversuch für dieses Phänomen besteht in der Annahme, dass die natürliche Konvektion die im Schwerfeld der Erde auftritt, zu einer Fragmentierung von Anteilen der Stängelkristalle führt, die sich dann relative frei in der Schmelze bewegen können und dort zu eigenständigen Kristalle heranwachsen. Im Rahmen dieses österreichisch-ungarischen Forschungsprojektes ist geplant ein beste- hendes Mehrphasenmodell zu erweitern, und Fragmentierung und Transport und Wachstum von Kris- tallanteilen und deren Einfluss auf die Gefügeentwicklung und die resultierende Verteilung der Legie- rungselemente zu beschreiben. Dabei sollen kontrolliert eingestellte Strömungen in der Schmelze und deren Einfluss auf das entstehende Gefüge helfen, die Vorhersagen des Modells zu überprüfen. Hierzu werden Probestäbe unter der Einwirkung eines rotierenden magnetischen Feldes (RMF) kontrolliert ge- richtet erstarrt. Stand der Technik: Obwohl in den letzten Jahrzehnten wiederholt Studien zum Thema Fragmentierung während der Erstarrung von Legierungen durchgeführt wurden, gibt es bis heute keine Modell mit dem die Struktur einer erstarrenden Legierung zufriedenstellend vorhergesagt werden kann. Insbesondere die Kopplung zwischen Fragmentierung und Transport und Wachstum von entsprechenden Kristallen wurde bisher kaum berücksichtigt. Methoden: Der österreichische Antragsteller hat in jüngster Zeit ein komplexes Mehrphasenerstar- rungsmodell veröffentlich, dass die Grundlage des vorliegenden Projektantrages sein wird. Dieses Modell basiert auf einer sogenannten Volume-Average Methode und ermöglicht es, das Wachstum der stängeli- gen und globulitischen Kristalle sowie deren Wechselwirkung mit der Schmelze zu beschreiben. Es soll um das Phänomen der Fragmentierung sowie RMF-induzierter Strömungen erweitert werden. Die ent- sprechenden Experimente zur gerichteten Erstarrung bei Anwesenheit kontrollierter RMF-induzierter Strömung werden vom ungarischen Antragsteller durchgeführt. Hierzu wird die vorhandene Apparatur entsprechend adaptiert. Erwartete Ergebnisse und Neuheiten: (1) Ein Erweiterung des oben genannten Modells soll entwickelt und experimentell verifiziert werden, sodass folgende Phänomene präzis abgebildet werden können: durch RMF-induzierte Strömungen, Fragmentierung und Transport von Kristallanteilen, und Entstehung des entsprechenden Gussgefüges inklusive der auftretenden Makroseigerung. (2) Die Verifikation der numerischen Ergebnisse mittels experimenteller Beobachtungen ermöglicht weitergehende Erkenntnisse über die Entstehung von Gussgefügen und Makroseigerungen. (3) Angewandt auf praktische Prozesse kann das erweiterte und validierte numerische Modell helfen, Gussgefüge zu optimieren und damit ge- wünschte Materialeigenschaften einzustellen.

Die Kontrolle der Mikrostruktur und Makroseigerung von Gussstücken ist seit Langem ein Ziel für Metallurgen und Werkstoffwissenschaftler. Die Entwicklung moderner Produktionsverfahren hat zu größeren Möglichkeiten geführt, den Erstarrungsprozess zu beeinflussen und somit die Mikrostruktur zu verbessern und die Makroseigerung in den erstarrten Produkten zu minimieren. Die erstarrte Mikrostruktur verschiedener Legierungen kann vollständig durch die Anwendung eines rotierenden magnetischen Feldes (RMF) modifiziert werden. Dieses vielversprechende Ergebnis hat die Industrie dazu motiviert, neue Produktionsprozesse zu entwi-ckeln. Leider sind die Mechanismen hinter der strukturellen und kompositionellen Modifikation durch RMF nicht vollständig verstanden. Die Umsetzung dieser Technik in die Praxis ist ohne eine Reihe kostspieliger Experimente (von Laborversuchen über Pilotanlagenversuche bis hin zur endgültigen Produktion) nicht möglich. Die Motivation dieses österreichisch-ungarischen Gemeinschaftsprojekts besteht darin, ein Mehrphasen-Erstarren-Modell zu etablieren und zu verfeinern. Ziel ist es, die erstarrte Mikrostruktur und die Makroseigerung unter Berücksichtigung von Fragmentation, Columnar-to-Equiaxed Transition (CET) und Equiaxed-to-Columnar Transition (ECT) unter verschiedenen Strömungsbedingungen zu berechnen und vorherzusagen. Die Hauptergebnisse umfassen zwei Teile: (I) Modellentwicklung und Validierung und (II) Erkundung neuer Erstarrungskenntnisse hinter dem Erstarrungsexperiment. In Bezug auf die Modellentwicklung und Validierung wurden mehrere Sub-Modelle für die Erstarrung entwickelt. Dazu gehören (I) ein kapillargetriebenes Fragmentationsmodell, (II) ein Kornschmelz- und Zerstörungsmodell und (III) ein diffusionsgesteuertes Erstarrungsmodell für Intermetallics. Alle entwickelten Sub-Modelle wurden durch Erstarrungsexperimente mit verschiedenen Legierungen validiert. Die interessantesten Erkenntnisse aus diesem Projekt umfassen: (I) die Herkunft von Fragmenten durch kapillar- und strömungsgetriebene Fragmentationsmechanismen, (II) CET und ECT unter natürlicher Konvektion und erzwungenen Strömungsbedingungen, (III) gleichzeitige Erstarrungs/Umschmelzphänomene während des Gießprozesses und (IV) der Bildungsmechanismus von Intermetallics während der Erstarrung der Legierung AlSi7Fe1. Die neuesten Ergebnisse wurden in weltweit renommierten wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht und auf internationalen Konferenzen präsentiert.