ZEUS - Unterkühlung von Materialien



Gruppenleitung: Prof. Dr. Dieter M. Herlach


Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
in der Helmholtzgemeinschaft
ZEUS
Linder Hoehe
51147 Köln

Telefon: +49 2203 601-2332
Telefax: +49 2203 601-2255
Internet: http://www.dlr.de/zeus/uk

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    Unterkühlte flüssige Materialien werden untersucht im Hinblick auf:

    • Thermodynamik,
    • Ordnung in der Schmelze,
    • Keimbildung und dendritisches Wachstum, sowie
    • Phasenselektion.

    In Abhängigkeit von der Unterkühlung, bei der die Erstarrung einsetzt, können sich dabei ergeben:

    • übersättigte Mischkristalle,
    • korngefeinte Legierungen,
    • Phasen mit stabiler oder metastabiler Kristallstruktur,
    • metastabile Monotektika,
    • metallische Gläser,
    • stabile und metastabile Quasikristalle, als auch
    • Halbleiter mit neuen Mikrostrukturen.

    Temperatur-Zeit-Profil eines Unterkühlungsexperiments

    Die feste Probe wird aufgeheizt; bei der Solidustemperatur TS beginnt sie zu schmelzen,nach Überschreiten der Liquidustemperatur TL ist sie vollständig flüssig (bei einem reinen Metall ist TS = TL). Nach kurzer Überhitzung wird die Probe abgekühlt (typische Kühlrate 30 K/s), wobei die Schmelze bis zu Temperaturen weit unter dem Schmelzpunkt TL flüssig bleiben kann, wenn heterogene Keimbildung an Tiegelwänden vermieden wird: Die Schmelze unterkühlt. Setzt schließlich doch die Erstarrung ein (bei der Nukleationstemperatur TN), so kristallisiert ein Teil der Probe rasch in Form von Dendriten. Die dabei freigesetzte Schmelzwärme heizt die Probe auf Temperaturen nahe der Schmelztemperatur auf (Rekaleszenz). In der anschließenden Plateauphase (Dtpl) erstarrt die interdendritische Restschmelze unter Gleichgewichtsbedingungen. Dabei kann das Netz der Primärdendriten aufgrund seiner morphologischen Instabilität fragmentieren, wenn die dazu benötigte Zeit (Dtbu) kürzer ist als die Dauer der Plateauphase. Die resultierende Mikrostruktur ist entweder feinkörnig äquiaxial oder grobkörnig dendritisch. Mit geeigneten Methoden läßt sich die Geschwindigkeit v, mit der die Dendriten wachsen, als Funktion der Unterkühlung DT messen.

    Untersuchte Materialien

    • reine Metalle: Fe, Co, Ni, Cu, Pt, Au
    • mischbare Legierungen: Ni-Cu, Co-Pd
    • verdünnte Legierungen: Ni-B, Ni-C, Ni-Zr
    • Peritektika : Fe-Ni, Fe-Cr-Ni, Ni-V
    • Eutektika: Co-Sb, Ni-Si,...
    • Intermetallische Verbindungen: Ni-Al, Ni-Al-Ti, Co-Si, Fe-Si, W-Re, Co-V
    • Glasbildner: Pd-Si, Pd-Cu-Si, Pd-Ni-P, Fe-Ni-P-B, Al-Cu-Zr, Zr-Ti-Al-Cu-Ni
    • Komposite: Ni-Ta/Ta2O5, …
    • Halbleiter: Si, Ge, Ge-Si, Ge-Sn, Ge-Cu
    • magnetische Materialien: Co-Pd, Co-Pd-C, Fe-Nd-B, Co-Au, Co-Cu, Co-Sm
    • Quasikristalle: Al-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Cu-Co, Al-Mn-Pd, Al-Co, Ti-Cr-SiO2, Zr-Ni-Al, Ti-Zr-Ni

    Kontakt
    Prof. Dr. Dieter Herlach
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

    Institut für Materialphysik im Weltraum

    Tel: +49 2203 601-2332

    E-Mail: Dieter.Herlach@dlr.de
    URL dieses Artikels
    http://www.dlr.de/mp/desktopdefault.aspx/tabid-1803/2589_read-3989/