Erstarrung und Strömung

Während ihrer Herstellung durchlaufen die meisten Materialien und Werkstoffe einen schmelzflüssigen Zustand. Besonders bei Gießverfahren und additiver Fertigung sind ungerichtete und gerichtete Erstarrungsprozesse von großer Bedeutung. In dieser Phase der Erstarrung kristallisiert das Material aus der flüssigen Phase aus. Gleichzeitig treten Strömungen, bedingt durch Dichteunterschiede der beteiligten Legierungskomponenten und Temperaturgradienten, sowohl in der Schmelze als auch in der fest-flüssig- Übergangszone (Breizone oder englisch mushy zone) auf. Ein zentraler Schwerpunkt der Arbeiten im Bereich Erstarrung liegt auf der Gewinnung essentieller Parameter für Material- und Werkstoffsimulationen, die beschreiben, wie diese Strömungen die innere Struktur (Mikrostruktur) und somit die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts maßgeblich beeinflussen. Um Recyclingprozesse z.B. von Al-Legierungen effizienter zu gestalten und Ressourcen effizienter zu nutzen, liegt ein weiterer Fokus auf der Permeabilität der ‚mushy zone‘, also der Durchlässigkeit dieser Zone für Fluide oder Gase, und wie diese beeinflusst wird durch sich ausscheidende Phasen während der Erstarrung von Recycling-Legierungen. Die Kombination von Erstarrungsexperimenten unter unterschiedlichen Gravitationsbedingungen (µg, 1g, hyper-g) und unter dem Einfluss von durch Magnetfelder erzeugte erzwungener Konvektionen können verschiedenste Stofftransportbedingungen und damit Mikrostrukturen gezielt eingestellt und untersucht werden. Für die experimentellen Arbeiten stehen aerogelbasierte Öfen zur gerichteten Erstarrung zur Verfügung, die sowohl im Labor, als auch auf Zentrifugen und im Weltraum eingesetzt werden. Die Prozessbeobachtung in-situ durch optische Kameras oder mittels Röntgenlicht erlaubt eine präzise Einstellung und Kontrolle von Prozessparametern sowie die zeitaufgelöste Bestimmung der Flüssig-Fest-Grenzflächen. Durch röntgentomographische Analysen der erstarrten Proben sowie Schliffbildanalysen und die Kombination mit Simulationen erlangen wir ein umfassendes Verständnis dieser komplexen Prozesse.