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.
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.
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: