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MICAST - Das Erstarrungsverhalten von Aluminium-Gusslegierungen

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  • Materialwissenschaftler untersuchen eine Probe nach ihrer Rückkehr auf die Erde

    Materialwissenschaftler untersuchen eine Probe nach ihrer Rückkehr auf die Erde

    Dr. Petra Neuhaus von EADS Astrium (heute Airbus Defence & Space), Dr. Harald Lenski von EADS Astrium und Dr. Alex Lehoczky, Materialwissenschaftler des Marshall Space Flight Center (v. l.) untersuchen eine Probe nach ihrer Rückkehr auf die Erde.

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    ESA-Astronaut Frank de Winne mit MSL-Hardware im Destiny-Modul

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    Erstarrte SETA-3-Probe

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Wird flüssiges Metall in eine Form gegossen, so kühlt es ab und erstarrt. Dabei bilden sich in der Schmelze Kristalle in Form von tannenbaumartigen Kristallstrukturen - die sogenannten Dendriten. Unter dem Mikroskop lässt sich nach dem vollständigen Abkühlen des Gussstücks ein dichtes Netz solcher Dendriten erkennen. Je feiner und dichter es ist, desto fester und stabiler ist der Werkstoff. Wie wirken Strömungen in der Schmelze auf die Entstehung dieses Dendriten-Netzwerks? Fände man eine Antwort auf diese Frage, so hätte man eines der größten ungelösten Probleme bei der Erstarrung von metallischen Legierungen entschlüsselt und gleichzeitig einen Weg gefunden, die Festigkeit von Legierungen gezielt zu erhöhen.

Im Rahmen des MICAST-Projektes wird die Ausbildung des dendritischen Netzwerkes in Aluminium-Gusslegierungen unter Schwerelosigkeit untersucht. Diese idealen Bedingungen sorgen dafür, dass es keine schwerkraft-getriebenen Strömungen gibt. So lässt sich in den ISS-Experimenten gezielt der Einfluss von unterschiedlich starken Schmelzströmungen untersuchen. Dabei wird während des Erstarrens ein rotierendes Magnetfeld zugeschaltet und so eine kontrollierte Strömung erzeugt. Untersucht man deren Wirkung auf das Dendriten-Netzwerk im Vergleich zu den absolut strömungsfrei erstarrten Bereichen in einer Probe, so können mathematische Modelle entwickelt werden, die Gießprozesse auf der Erde deutlich verbessern sollen.

Experimentbeschreibung:

Im Rahmen von MICAST werden Aluminium-Silizium- beziehungsweise Aluminium-Silizium-Eisen-Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung 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 und die Erstarrungsgeschwindigkeit variiert. Ein Teil der Proben wird jeweils unter strömungsfreien Verhältnissen erstarrt, während im anderen Teil eine kontrollierte Strömung durch Einschalten eines externen Magnetfeldes erzeugt wird. Das MICAST-Team wird vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum unter Beteiligung von ACCESS e.V. Aachen koordiniert. Mit dabei sind die Universität Miskolc in Ungarn sowie Partner in Frankreich, Kanada, Mexiko, der Tschechischen Republik, Rumänien und Ägypten. Unterstützt wird das Team von Industrieunternehmen, insbesondere die Hydro-Aluminium Deutschland GmbH in Bonn, die die Proben für die Raumstationsexperimente hergestellt hat.

Status:

Das 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 ersten sechs MICAST-Proben des sogenannten Batch-1 wurden zwischen Dezember 2009 und April 2010 im LGF des MSL auf der ISS erfolgreich gewonnen und später zur eingehenden Analyse zur Erde zurückgebracht. Zwei Proben der sogenannten Batch-2a-Serie von MICAST wurden im Juli 2011 mit dem Space Shuttle Atlantis (STS-135) zur ISS transportiert. Beide Proben wurde nach dem Einbau des SQF im Frühjahr und im Herbst 2011 gewonnen und mit der Dragon-Kapsel von SpaceX 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 im November 2012 und letzten Check-ups im Dezember konnte die insgesamt dritte Batch-2a-Probe von MICAST schließlich Ende Februar 2013 erfolgreich gewonnen werden. Bis Ende Januar 2014 wurden dann zwei weitere der insgesamt acht Batch-2a-Proben störungsfrei aufgeschmolzen und kontrolliert erstarrt.

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

Im Jahr 2014 sollen die drei noch verbliebenen Batch-2a-Proben verarbeitet und alle fertigen Proben zur wissenschaftlichen Untersuchung zur Erde zurückgebracht werden. MICAST soll uns dabei helfen, einerseits das ungestörte Erstarrungsverhalten metallischer Legierungen in Schwerelosigkeit zu verstehen sowie andererseits mehr über den Einfluss kontrollierter Strömungen auf das Werkstoffgefüge zu erfahren. Dieses Wissen soll der industriellen Fertigung von Gussteilen zugutekommen.

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 Prof. Dr. Lorenz Ratke, Dr. Gerhard Zimmermann
Einrichtung DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum, Köln; ACCESS e.V., Aachen
Bereich Materialwissenschaften
Partner ESA, NASA, multinationales Team

 

Zuletzt geändert am:
03.07.2014 13:47:09 Uhr