Messung von Strömungsvorgängen bei äquiaxialer Erstarrung

Die Modellierung metallurgischer Prozesse gewinnt immer mehr an Bedeutung. Diesbezügliche Forschungsaktivitäten der letzen Jahrzehnte erstrecken sich über ein großes Betätigungsfeld, das die Vorbehandlung der Schmelze, die Erstarrung und nachfolgende Produktionsschritte umfaßt. In diesem Anwendungsbereich spielt besonders die Erstarrung eine zentrale Rolle; sie beeinflußt die primäre Struktur der Materialien ebenso wie viele Materialdefekte (z.B. Porösität, Makro und Mikro-seigerung und Einschlüsse). Diese ursprünglich erzeugten Strukturen und Defekte sind in nachfolgenden Schritten der Materialbehandlung schwer wieder rückgängig zu machen oder zu verändern. Strömungen von Teilchen und Flüssigkeiten sind neben anderen Prozessen ein wichtiges Phänomen in der äquiaxialen Erstarrung. Die fest/flüssig Mehrphasenströmung hängt stark von der Mikrostruktur der äquiaxialen Kristalle ab, welche wiederum von Keimbildungs- und Wachstumsmechanismen abhängt. Die resultierende flüssig/fest Strömung bewirkt strukturelle und chemische Inhomogenitäten im erstarrten Endprodukt, daher ist ein fundamentales Verständnis der Mehrphasentransportvorgänge gekoppelt mit Keimbildung und Wachstumsverhalten gefordert. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Kombination dreier optischer Messmethoden um die Zahl, Grösse und Bewegung von NH 4 Cl Kristallen in einer wässrigen Lösung in Abhängigkeit von Kühlrate und Geometrie quantitativ zu messen. Die dabei angewandten Messmethoden sind: 1) "Particle Image Velocimetry" (PIV) um die Konvektion der Schmelze zu messen 2) "Particle Tracking" (PT) um die Bewegung der NH 4 Cl Kristalle in der Schmelze zu messen 3) Weiterentwicklung der "Shadowgraph" (SG) Technik um die Korngrössenverteilungen aus "Shadowgraph" Bildern zu ermitteln. Zusätzlich werden die experimentellen Resultate mit numerischen Simulationen verglichen, die auf einem zwei Phasen Modell basieren. Die Kombination der experimentellen Resultate mit der numerischen Simulation soll einerseits ein besseres Verständnis einiger Details der Gefügebildung ermöglichen, andererseits soll die Anwendbarkeit eines numerischen zwei Phasen Modells getestet werden.

Das Projekt befasste sich mit der numerischen und physikalischen Modellierung von metallischer Erstarrung in einem Gussprozess, d.h. stängeliges Wachstum von den Wänden kombiniert mit der Bildung von gleichachsigen Kristallen in der Schmelze. Ammonium Chlorid Lösungen NH4Cl-H2O eignen sich für die Untersuchung von metall-artiger Erstarrung weil sie eine in-situ Beobachtung der Erstarrung bei Raumtemperatur erlauben. Das Projekt kombinierte Strömungsfeldmessungen und Kristallgrößenmessungen während der Erstarrung mit numerischen Simulationen desselben Prozesses. Zur Messung der Geschwindigkeitsfelder während der Erstarrung wurde Partikel Image Velocimetry (PIV) verwendet. PIV ist eine Laser - optische Messtechnik welche die Messung des augenblicklichen Geschwindigkeitsfeldes in einer Ebene der Strömung ermöglicht. Die damit verbundenen high-speed Aufnahmen ermöglichen zusätzlich eine Dokumentation der bei der Erstarrung auftretenden Phänomene. Die erste Veröffentlichung des Projektes zeigte so eine phänomenologische Studie des Erstarrungsprozesses. Die nächste Veröffentlichung aus dem Projekt befasste sich mit Messungen und CFD Simulationen der Strömung und Temperatur der natürlichen Konvektion von reinem Wasser unter den Erstarrungsbedingungen für die NH4Cl- H2O Lösungen. Zu diesem Zweck wurde ein MATLAB basierender Laser Induced Fluorescence (LIF) Code entwickelt. LIF ist eine Laser-optische Methode die eine berührungslose Messung des Temperaturfeldes in einer Strömungsebene der ermöglicht. Im Gegensatz zu den kommerziell erhältlichen LIF Softwarepaketen beinhaltete der selbst entwickelte Code neben der Temperaturmessung auch die Möglichkeit einer Fehlerabschätzung der Messwerte, was wiederum die Optimierung des Messaufbaus ermöglichte. Im letzten Abschnitt des Projektes wurden numerische Simulationen des NH4Cl-H2O Erstarrungsprozesses in der Messzelle durchgeführt, wobei der am Lehrstuhl für Simulation und Modellierung Metallurgischer Prozesse (SMMP) entwickelte Erstarrungscode verwendet wurde. Die berechnete Form der Erstarrungsfront am Ende des Erstarrungsprozesses wurde mit den PIV Messungen verglichen und zeigte eine gute Übereinstimmung. Somit konnten die im Projekt durchgeführten Messungen und Simulationen den durch mehrere Wissenschafter am Lehrstuhl entwickelten SMMP Erstarrungscode validieren. Zusätzlich konnten durch die Verwendung von fluoriszierenden Tracerpartikeln und entsprechenden Filtern erstmals die Geschwindigkeitsfelder der NH4Cl Kristalle und der Sie umgebenden Schmelze unabhängig voneinander gemessen werden. Die letzen Untersuchungen des Projektes zeigten ein neues Phänomen während des Erstarrungsprozesses, eine mäandrische Strömungsstruktur die Gegenstand weiterführender Untersuchungen sein wird.