Experimentelle Methoden zur Messung von Dendriten-Wachstumsgeschwindigkeiten

Dendritisches Wachstum

(a) Technik mit Kapazitäts-Annäherungs-Sensor
      capacitance proximity sensor technique (CPS)

Die Tropfen werden mit Hilfe elektromagnetischer Levitation behälterfrei prozessiert. Nach externer Auslösung der Erstarrung bei gewünschter Unterkühlung DT wachsen Dendriten vom Triggerpunkt mit konstanter Geschwindigkeit radial in die Schmelze hinein. An ihren Spitzen wird latente Wärme frei (Schmelzwärme).

Abb. 1: Beginn und Ende des dendritischen Wachstums werden von dem 'empfindlichen' Trigger bzw. einer Photodiode registriert. Aus der Geometrie des Aufbaus und aus den gemessenen Zeitintervallen kann die Wachstumsgeschwindigkeit v ermittelt werden. TL: Liquidustemperatur (Schmelzpunkt), TN: Nukleationstemperatur.

(b) Messungen dendritischen Wachstums mittels Hochgeschwindigkeitskamera
      High-speed camera technique

Auch hierbei wird die elektromagnetischer Levitation zum behälterfreien Prozessieren genutzt, wobei der Erstarrungsverlauf der in der Levitationsspule frei schwebenden Probe bei der Unterkühlung DT mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera mit einer maximalen Rate von 120.000 Bildern pro Sekunde erfasst wird. Die Projektion der durch das Probenvolumen durchlaufenden fest-flüssig-Phasengrenze lässt sich auf der Probenoberfläche verfolgen und aus der Orts- und Zeitbestimmung die dendritische Wachstumsgeschwindigkeit berechnen.

Abb. 2: Zeitlicher Verlauf (a) bis (c) des dendritischen Wachstums einer von unten getriggerten Ni-Probe. Aus der zurückgelegten Entfernung der fortschreitenden Phasengrenze Ds und aus den gemessenen Zeitintervallen Dt lässt sich die Wachstumsgeschwindigkeit v in Abhängigkeit der erzielten Unterkühlung ermitteln. Anm.: Duch die tiefe Schwebeposition der Probe innerhalb der Levitationsspule wird in der Darstellung ein Teil von der Spule abgedeckt.

Hier findet sich exemplarisch das mit der Hochgeschwindigkeits-Kamera aufgezeichnete Video (3MB) einer aus dem Zustand der unterkühlten Schmelze heraus erstarrenden Ti-Al-Nb-Probe. Zu erkennen ist die fortschreitende fest-flüssig-Phasengrenze, welche die Einhüllende der in die Schmelze propagierenden Dendriten darstellt.

Literatur:

H. Assadi, S. Reutzel, D.M. Herlach
Kinetics of Solidification of B2 Intermetallic Phase in the Ni-Al System
Acta Mater., 54, 10 (2006) 2793-2800

D.M. Herlach, O. Funke, G. Phanikumar, P. Galenko
Free Dendrite Growth in Undercooled Melts: Experiments and Modeling
Solidification Processes and Microstructures - A symposium in Honor of Wilfried Kurz, (Hrsg.: M. Rappaz, C. Beckermann, R. Trivedi), TMS, (2004), 277-288

K. Eckler, M. Kratz, I. Egry
A New Technique of Measuring Dendrite Growth Velocities in Undercooled Metallic Melts
Rev. Sci. Instr., 64, (1993), p. 2639