Wechselwirkung zwischen Erstarrung und Strömung

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. Porosität, Makro- und Mikroseigerungen und Einschlüsse). Diese urgeformt Strukturen und Defekte sind in nachfolgenden Schritten der Materialbehandlung schwer wieder rückgängig zu machen oder zu verändern. In vielen Erstarrungsprozessen spielt die Strömung der Schmelzen eine wichtige Rolle. Häufig können Trägheits- und Auftriebskräfte sogar zu turbulenten Strömungen führen, die dann mit der, meist dendritischen Erstarrungsfront wechselwirken. Es ist bekannt, dass Turbulenz die effektive Wärmeleitfähigkeit der Schmelze deutlich erhöht und damit zu einer merklichen Änderung der Erstarrungsrate und auch der Erstarrungsmorphologie führen kann. Andererseits wird die Turbulenz durch die Anwesenheit teilerstarrter Bereiche gedämpft, wogegen absinkende äquiaxiale Körner turbulente Fluktuationen sowohl dämpfen als auch verstärken können. Ein realitätsnahes Modell muss demnach die Wechselwirkung zwischen Erstarrungsdynamik/-struktur und Turbulenz adäquate beschreiben, insbesondere hinsichtlich des Impuls- und Enthalpieaustausches. Leider sind in der Literatur keine Arbeiten zur Untersu-chung der Wechselwirkung von turbulenten Strömungen und Erstarrungsvorgängen zu finden Im Rahmen eines abgeschlossenen FWF Projektes wurde am Lehrstuhl des Antragstellers eine "particle image velocimetry" Technik entwickelt, bei der beides, Schmelzenströmungsgeschwindigkeit und Geschwindigkeit von erstarrenden Kristallen gleichzeitig gemessen werden können. Das vorliegende Projekt wird diese Technik nutzen und sie auf Erstarrungssituationen mit turbulenten Strömungen erweitern.

Obwohl Erstarrungsvorgänge seit alters her von Bedeutung sind, gibt es immer noch zahlreiche unklare, wichtige Detailfragen. Entsprechend geplante Laborexperimente können helfen diese Detailfragen zu klären und neue Ideen für numerische Prozessbeschreibungen zu generieren. Während eines Erstarrungsprozesses führt die Wechselwirkung zwischen Abkühlung, Kristallbildung und Schmelzenbewegung zum Auftreten verschiedener Erstarrungsarten (rein gerichtet, rein ungerichtet oder mit Übergang von gerichtet zu ungerichtet (CET)). Das Hauptziel des vorliegenden Projektes war es, die Wechselwirkung zwischen Schmelzenströmung und Erstarrung besser zu verstehen.Hierzu wurden Erstarrungsexperimente mit transparenten Legierungen, aus Ammoniumchlorid-Wasser durchgeführt, wobei die Schmelzenströmung mit dem LASER vermessen und die unterschiedlichen Phasen des Erstarrungsvorganges charakterisiert wurden. Grundsätzlich entstehen Strömungen dadurch, dass sich die Dichte der Schmelze mit der Temperatur und der Konzentration ändert. Bei den durchgeführten Erstarrungsexperimenten reichern sich leichtere Legierungselemente zwischen den Kristallen an und so entstehen Auftriebskräfte die sehr stark werden und sogar zu turbulenten Strömungen führen können.Turbulente Strömungen können aber auch durch thermische Auftriebskräfte entstehen. Bekanntlich kann entlang einer gekühlten, hinreichend hohen Behälterwand ein Übergang von lamellarer zu turbulenter Auftriebsströmung beobachtet werden. Daher haben wir Experimente mit unterschiedlichen Abkühlbedingungen in unterschiedlich großen rechteckigen Behältnissen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die entstehende Erstarrungsart (gerichtet, ungerichtet oder CET) von der Strömungsintensität und dem Auftreten von Turbulenzen abhängt.Bei gleichzeitiger Diffusion von Wärme und Legierungselementen spricht man von doppelt-diffusiven Vorgängen. Dass bei unseren Experimenten doppelt-diffusive Vorgänge maßgebend sind, zeigte sich am Auftreten eines speziellen mäanderförmigen Strömungsmusters eine erstarrungsbedingte Konvektionserscheinung die weltweit zum ersten Mal beobachtet wurde. Ähnliche Strömungsmuster, wenn auch deutlich großräumiger, treten in Ozeanen auf, wo sich Salzgehalt und Temperatur stufenweise mit der Tiefe ändert. Unsere Ergebnisse wer- den helfen, das Auftreten solcher Phänomene besser zu verstehen.