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CETSOL - Der Übergang von gerichteter zu ungerichteter Erstarrung in Aluminium-Legierungen

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  • Catherine Coleman installiert Ofeneinsatz für die zweite Probenserie von CETSOL

    Catherine Coleman installiert Ofeneinsatz für die zweite Probenserie von CETSOL

    NASA-Astronautin Catherine Coleman entfernt den Low Gradient Furnace (LGF)-Ofeneinsatz aus dem MSL und installiert stattdessen den Solidification and Quenching Furnace (SQF)-Ofeneinsatz für die zweite Probenserie von CETSOL.

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    Längsschliffe aus zwei CETSOL-Flugproben

    In der Schmelze wachsen tannenbaumartige Strukturen - die sogenannten Dendriten - gerichtet (unten) oder ungerichtet (oben) heran und bilden die sogenannte Kornstruktur. Die Wissenschaftler interessieren sich dabei vor allem für die kritischen Vorgänge beim Übergang von gerichteter zu ungerichteter Erstarrung in Aluminium-Silizium-Legierungen.

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Untersuchungsreihen an Legierungen in Laboren auf der Erde werden durch die Schwerkraft häufig verfälscht. Konvektion und Ablagerung - die sogenannte Sedimentation - führen bei der Erstarrung zur ungleichmäßigen Verteilung der Legierungsbestandteile im Werkstück. Die Wissenschaftler weichen deshalb in den Weltraum aus, wo sie ohne störende Schwerkraft ihre Proben schmelzen und erstarren lassen können.

Das CETSOL-Experiment untersucht diese Abkühlungsvorgänge genauer. Zum Beispiel wachsen tannenbaumartige Strukturen - die sogenannten Dendriten – in der Schmelze gerichtet oder ungerichtet heran und bilden die sogenannte Kornstruktur. Die Wissenschaftler interessieren sich dabei vor allem für die kritischen Vorgänge beim Übergang von gerichteter zu ungerichteter Erstarrung - dem sogenannten CET - in Aluminium-Silizium-Legierungen. Forschung unter Schwerelosigkeit bietet dabei die Chance, das freie Dendriten-Wachstum ohne Sedimentation und Strömungseffekte zu studieren. Durch die Raumstations-Experimente wollen die Forscher verstehen, wie der CET-Effekt entsteht. Damit sollen bestehende 3D-Computersimulationen überprüft und verbessert werden, um künftig die Struktur von Gussteilen in der industriellen Fertigung - zum Beispiel bei der Herstellung von Turbinenschaufeln - gezielter zu beeinflussen und so die Materialeigenschaften entscheidend zu verbessern.

Experimentbeschreibung:

Im Rahmen von CETSOL werden Aluminium-Silizium-Legierungen in den Öfen Low Gradient Furnace (LGF) beziehungsweise Solidification and Quenching Furnace (SQF) des Materials Science Laboratory (MSL) aufgeschmolzen und anschließend erstarrt. Dabei werden wichtige Eigenschaften des Erstarrungsprozesses wie der Temperaturgradient in der Schmelze oder die Erstarrungsgeschwindigkeit verändert. Die Einstellungen sind so gewählt, dass daraus kritische Parameter für den Übergang von gerichtetem zu ungerichtetem Wachstum abgeleitet werden können.

Das international aufgestellte CETSOL-Team wird von ACCESS e.V. Aachen koordiniert und besteht aus dem IM2NP der Aix Marseille Universite in Marseille, ARMINES MINES Paris Tech CEMEF in Sophia Antipolis, dem University College in Dublin sowie Partnern aus den USA. Unterstützt wird das Team von europäischen Industrieunternehmen, insbesondere von der Hydro-Aluminium Deutschland GmbH in Bonn, die das Probenmaterial für die Raumstationsexperimente bereitgestellt hat.

Status:

MSL wurde im Rahmen der STS-128 Mission Ende August 2009 mit dem Space Shuttle Discovery zur ISS transportiert und in das Destiny-Modul eingebaut. Die sechs CETSOLProben des sogenannten Batch-1 wurden zwischen Dezember 2009 und April 2010 im LGF erfolgreich gewonnen und zur Analyse zur Erde zurückgebracht. Zwei der insgesamt sieben Proben der Batch-2a-Serie transportierte das Space Shuttle Atlantis (STS-135) im Juli 2011 zur ISS. Eine dieser Proben wurde nach dem Einbau des SQF zu Anfang des Jahres 2011 und im Herbst desselben Jahres geschmolzen und mit der Dragon-Kapsel von Space X im Mai 2012 zur Erde zurückgebracht. Allerdings sorgte ein Stromausfall im MSL-Rack während des SQF-Betriebs für eine Verunreinigung des Ofens und führte somit im Jahr 2012 zu einer längeren Unterbrechung der Experimente. Die Ursache und die Folgen des unerwarteten Ausfalls wurden genau untersucht. Nach der Reinigung des SQF-Ofens im November 2012 und letzten Check-ups im Dezember konnte die zweite Batch-2a-Probe schließlich Anfang Februar 2013 erfolgreich gewonnen werden. Bis Ende Januar 2014 wurden dann weitere vier der insgesamt sieben Batch 2a-Proben störungsfrei aufgeschmolzen und kontrolliert erstarrt.

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

Im Jahr 2014 sollen die beiden noch verbliebenen Batch-2a-Proben verarbeitet und alle fertigen Proben zur wissenschaftlichen Untersuchung zur Erde zurückgebracht werden. Das CETSOL-Experiment soll uns dabei helfen wichtige Erkenntnisse über das Erstarrungsverhalten von Metalllegierungen, insbesondere was den Einfluss der Schwerkraft und wesentlicher Prozessparameter auf die Kornstruktur angeht, zu erschließen. Dieses Wissen soll zeitnah in die industrielle Fertigung von Gussteilen einfließen. Weitere CETSOL-Experimente sind ab 2015 mit der neuen europäischen TRANSPARENT-1-Anlage in der Microgravity Science Glovebox (MSG) geplant.

Start: 29. August 2009 / Space Shuttle Discovery (STS-128)
ISS-Zeitraum seit Dezember 2009 auf der ISS, derzeit Batch-2a-Serie
Unterbringung Material Science Laboratory (MSL), im Destiny-Modul
Experimentator Dr. Gerhard Zimmermann
Einrichtung ACCESS e.V., Aachen
Bereich Materialphysik
Partner ESA, NASA, multinationales Team

 

Zuletzt geändert am:
03.07.2014 13:48:16 Uhr