Entmischung in Metallschmelzen - Metastabile Monotektika

Dynamik in Schmelzen

In monotektischen metallischen Systemen sind stabile Mischungslücken bekannt und vielfach untersucht. Metastabile Mischungslücken dagegen wurden bisher noch nicht systematisch erforscht. Systeme wie Cu-Co, Cu-Cr, Cu-Fe oder auch Cu-Co-Mo lassen sich mittels elektromagnetischer Levitation, im Fallturm oder mit Schmelzflusseinbettung in ein Glas tief unterkühlen. Bei der Legierung Cu-Co wird die metastabile Mischungslücke bei Unterkühlung der Liquiduslinie um mehr als 100 K erreicht. Die homogene Schmelze trennt sich dann in Co-reiche (L1) und Cu-reiche (L2) Phase.

Abb. 1:
Phasendiagramm von Co-Cu. Hellblau ist die Binodale eingezeichnet, bei der die Flüssigkeit entmischt.

Die Phasenlinie, die dies im metastabilen Phasendiagramm beschreibt, heisst Binodale. Auf Grund der tiefen Unterkühlung der Schmelze, ist die treibende Kraft zur Erstarrung groß: wenn die Schmelze unterhalb der Binodalen schließlich erstarrt, werden die entmischten Flüssigkeiten eingefroren. In der erstarrten Legierung lassen sich sowohl die charakteristische, entmischte Morphologie beobachten, als auch die chemische Konzentration von L1- und L2-Phase messen. Von wissenschaftlichem Interesse ist der Vorgang der Entmischung selbst sowie das darauf folgende Phasenwachstum. Insbesondere das Phasenwachstum wird stark durch gravitative Effekte wie Sedimentation und Konvektion beeinflusst. In der TEMPUS-Anlage während eines Parabelfluges in reduzierter Schwerkraft lassen sich die gravitativen Einflüsse deutlich begrenzen. In der rastermikroskopischen Aufnahme zeigt die Mikrostruktur kugelförmige Bereiche der Co-reichen Phase, die in die Cu-reiche Phase eingebettet sind. Im Detail erkennt man die korngefeinte Innenstruktur der Co-reichen Kugeln und die Bildung von Dendriten in der L2-Phase. Die Größenverteilung der Co-reichen Kugeln liefert entscheidende Parameter für die Modellierung des Phasenwachstums.

Abb. 2:
Mikrostruktur einer im Parabelflug geschmolzenen, unterkühlten, entmischten und erstarrten Co-Cu Probe.
Dunkel: Kugeln der Co-reichen L1-Phase und Dendriten der a-Phase
Hell: Cu-reiche Restschmelze

Abb. 3:
Größenverteilung der kugelförmigen, Co-reichen L1-Phase in logarithmischer Darstellung. Die Probe wurde in einer terrestrischen Levitationsanlage prozessiert.

Abb. 4:
Größenverteilung der kugelförmigen, Co-reichen L1-Phase in logarithmischer Darstellung. Die Probe wurde unter reduzierter Schwerkraft während eines Parabelfluges in TEMPUS prozessiert.

Die höhere Konvektion bei terrestrischer Prozessierung führt zur Kollision und Koagulation der Kugeln der L1-Phase. Dadurch tritt ein deutliches Maximum bei großen Radien auf (Abb. 3 ). Auch kleine Kugeln werden durch die Konvektion in der Schmelze beeinflusst. Der Vergleich mit der TEMPUS Probe zeigt eine deutliche Vergrößerung der Kugeln, der mittlere Radius steigt bei kleinen Kugeln von 5.7 µm auf 11.1 µm.

Literatur:

Solidification of Co-Cu alloys in the metastable miscibility gap under low gravity conditions

508-509

Microstructure of rapidly solidified Cu-25wt.%Cr alloys

398

Solidification behaviour of undercooled Co-Cu alloys showing a metastable miscibility gap

375-377

Surface tension, phase separation and solidification of undercooled Cobalt-Copper alloys

Undercooling and demixing of Cu-Co melts in the TEMPUS facility during parabolic flight

Rapid solidification of Cu₈₄Co₁₆ alloy undercooled into the metastable miscibility gap under different conditions

Dynamics of solidification and microstructure evolution in undercooled Co-Cu-Alloys with metastable Miscibility gap

Liquid phase separation in undercooled Co-Cu alloys processed by electromagnetic levitation and differential thermal analysis

325