Die Wechselwirkung von Partikeln mit einer dendritischen Erstarrungsfront in Schwerelosigkeit



Metallische Werkstoffe werden häufig mit keramischen Partikeln verstärkt, um ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen zu verbessern. Eine neue und kostengünstige Methode ist die Herstellung des Verbundwerkstoffes direkt aus der Schmelze. Dies setzt allerdings voraus, dass man die Wechselwirkung der Erstarrungsfront mit den keramischen Partikeln genau kennt. Besonderes Interesse kommt der Frage zu, ob die Partikel von der Erstarrungsfront voran geschoben werden oder ob die Front über die Partikel hinwegläuft.

Als Faustregel gilt, dass große Partikel eher eingebaut werden als kleine, wenn man eine bestimmte Erstarrungsgeschwindigkeit betrachtet. Bei variierter Erstarrungsgeschwindigkeit zeigt sich, dass eine Front mit höherer Geschwindigkeit auch kleinere Partikel einbaut. Durch Variation der Unterkühlung der Schmelze vor der Erstarrung lässt sich die Geschwindigkeit der Erstarrungsfront steuern. Die Mikrostruktur der Probe wird "eingefroren" und kann nach dem Experiment im Elektronenmikroskop untersucht werden.

In diesem Experiment in der TEMPUS-Anlage werden neben dem bereits untersuchten Modellsystem, Nickel mit keramischen Partikeln aus Tantaloxid, auch Kupferlegierungen mit Partikeln untersucht. Prinzipiell lassen sich die Unterkühlungsexperimente auch in einer terrestrischen, elektromagnetischen Levitationsanlage durchführen. Durch starke induzierte Wirbelfelder, wie sie bei terrestrischen Anlagen nötig sind, um die Probe gegen die Gravitationskraft in der Schwebe zu halten, werden die Partikel häufig bereits in der Aufheizphase aus der flüssigen Probe herausgeschleudert. Wie bei den Parabelflügen 2003 und 2004 gezeigt werden konnte, sind im Vergleich zu terrestrischen Anlagen die geringeren elektromagnetischen Positionierfelder in der TEMPUS-Anlage von Vorteil. Wegen der geringen induzierten Konvektion in der Schmelze erhält man sehr gut definierte Erstarrungsbedingungen.


Kontakt
Dr. Matthias Kolbe
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Materialphysik im Weltraum

Tel: +49 2203 601-3019

E-Mail: matthias.kolbe@dlr.de
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