ARTEMIS



 Aufgeschmolzene Probe im Aerogeltiegel in Artemis
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Schmelzen und Erstarren von metallischen Legierungen stehen am Beginn wichtiger Fertigungsverfahren z.B. im Maschinenbau, Bauwesen, Elektrotechnik, Elektronik. Der Prozess der Erstarrung liefert die Ausgangsposition für die Bildung des inneren Werkstoffaufbaus. Dieser legt die Werkstoffeigenschaften fest. Erstarrungsvorgänge sind in erster Linie einstellbar durch verschiedene Prozessgrößen wie Abkühl- und Erstarrungsgeschwindigkeit. Durch genaue Kontrolle dieser und anderer Prozessgrößen lässt sich ein gewünschtes Gefüge und damit Werkstoffeigenschaften einstellen. Ein einfacher und überschaubarer Erstarrungsvorgang ist die Technik der gerichteten Erstarrung, die nicht nur eine moderne Technologie zur Herstellung von Bauteilen mit gerichtetem Gefüge (Turbinenschaufeln) ist, sondern auch ein ideales Hilfsmittel zur Untersuchung des Erstarrungsverhaltens von Legierungen.

 Schematische Zeichnung der Artemis Anlage
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In dem am Institut für Materialphysik im Weltraum entwickelten Ofenkonzept ARTEMIS (AErogel TEchnology for MIcrogravity Solidification) können metallische Legierungen und Halbleiter gerichtet erstarrt werden. Zur Erzeugung von kontrollierten Strömungen ist in ARTEMIS ein Spulensystem integriert, welches ein rotierendes Magnetfeld erzeugt. Das Besondere an dieser Anlage im Vergleich zu konventionellen Öfen oder Kristallzuchtanlagen sind die Erstarrungsbedingungen: Wachstumsgeschwindigkeit und Temperaturgradient vor der Erstarrungsfrontkönnen unabhängig voneinander kontrolliert und während des Prozesses on-line mit optischen Methoden erfasst und wenn notwendig geändert werden. Möglich wird dies durch die Verwendung von transparenten, quasi-adiabatischen Silica-Aerogelen. Aerogele sind offenporige, nanostrukturierte Festkörper mit extrem geringer Wärmeleitfähigkeit, die zudem von metallischen Schmelzen nicht benetzt werden. In solche Silica-Aerogel-Tiegel sind die metallischen Proben eingebettet und werden über zwei Heizer an den Probenenden aufgeschmolzen und kontrolliert erstarrt. Da Aerogele nahezu perfekte thermische Isolatoren (Wärmeleitfähigkeit 5-20mW/Km) sind, tauschen beide Heizer Wärme ausschließlich über die Probe aus. Das Herunterkühlen beider Heizer mit unterschiedlichen Kühlraten erzeugt ein Vorschreiten der Erstarrungsfront (fest-flüssig-Phasengrenze) durch die Probe von unten nach oben entgegen der Gravitation. Wenn das obere Heizelement die Erstarrungstemperatur der Probe unterschreitet, ist die Probe vollständig erstarrt und das Experiment abgeschlossen.

 Blick in die Artemis Anlage mit Spulensystem
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Auf Grund der Transparenz der Silica-Aerogele kann der Erstarrungsvorgang mit einer Infrarot-CCD-Zeilenkamera beobachtet, analysiert und damit auch online kontrolliert werden: Aus dem Intensitätsverlauf über der Probe kann zu jedem Zeitpunkt sowohl die Lage der Erstarrungsfront als auch der Temperaturgradient bestimmt werden. Der Intensitätsverlauf jedes Pixels auf dem CCD-Chip hat einen charakteristischen Verlauf als Funktion der Zeit. Zu Anfang ist die Intensität hoch, da die Temperatur hoch ist. Mit sinkender Temperatur sinkt die Intensität. Am Übergang flüssig/fest ändert sich schlagartig die Emissivität der Probe, was sich in einem starken Anstieg der Intensität bemerkbar macht, um danach mit sinkender Temperatur weiter abzufallen. Aus der Lage des Anstieges der Intensität als Funktion der Zeit kann die Position der Erstarrungsfront in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt werden. Diese Anlage erlaubt damit in-situ und berührungsfrei die wichtigsten Parameter der Erstarrung einer Schmelze zu bestimmen und online zu kontrollieren.

Für Experimente unter Mikrogravitationsbedingungen wurde das ATEMIS Konzept weiter entwickelt zu den ARTEX und ARTEX+ Anlagen.

 Gemessener Intensitätsverlauf über einer A357 Probe
zum Bild Gemessener Intensitätsverlauf über einer A357 Probe

Mit den ARTEMIS lassen sich folgende Leistungscharakteristika realisieren:

  • Der Temperaturgradient vor der Phasenfront, die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Beschleunigung können unabhängig voneinander eingestellt werden.
  • Geschwindigkeit der Erstarrungsfront: 0 – 40 cm/h
  • Wechsel der Erstarrungsgeschwindigkeit innerhalb von 90sec
  • Temperaturgradient: < 60 K/cm
  • Probengröße: Länge bis 120 mm, Durchmesser 8 mm
  • Max. Heizer-Temperatur: 950°C (bei der Verwendung von Silica-Aerogelen)
  • Umgebungsbedingungen: 10-4 mbar bis 1 bar Schutzgas oder Vakuum
  • Temperaturprofil lässt sich optisch vermessen (Auflösung 30µm, 3 – 30Hz)
  • Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes (max. 6mT bei 50Hz)


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