Erstarrung von Kupfer-Kobalt-Legierungen in Schwerelosigkeit - Unterkühlung und Entmischung



Normalerweise werden metallische Schmelzen in einem Behälter, einem so genannten Tiegel erhitzt. Beim Abkühlen bilden sich an den Tiegelwänden Keime, sobald die Temperatur auf den Schmelzpunkt absinkt. Die Schmelze erstarrt dann. Bei der elektromagnetischen Levitation wird die Schmelze durch elektromagnetische Wechselfelder, welche über eine Spule erzeugt werden, erhitzt und in der Schwebe gehalten. Es wird also kein Behälter für die Flüssigkeit benötigt. Dadurch wird die Keimbildung an den Tiegelwänden vermieden und das Metall bleibt auch unterhalb des Schmelzpunktes noch flüssig. Ab einer bestimmten Temperatur setzt aber auch hier die Erstarrung ein. Diese verläuft dann sehr schnell und ein Teil der Probe kristallisiert in Form einer dendritischen Struktur (Bäumchenstruktur).

In diesem Experiment in der TEMPUS-Anlage werden metastabile Zustände (Nicht-Gleichgewichtszustände) von Kupfer-Kobalt-Schmelzen untersucht. Sie treten erst bei einer Unterkühlung von über 100 Grad Celsius unter dem Schmelzpunkt auf. Die homogene Schmelze trennt sich dann in einen Kobalt-reichen und einen Kupfer-reichen Anteil. Aufgrund der hohen Unterkühlung der Schmelze tritt die Erstarrung extrem schnell ein. Dadurch werden die metastabilen Zustände "eingefroren" und können nach dem Experiment im Elektronenmikroskop untersucht werden. Kupfer-Kobalt-Legierungen sind als dünne Schichten für elektronische Speichermedien im Gespräch.

Grundsätzlich lassen sich die Unterkühlungsexperimente auch in einer elektromagnetischen Levitationsanlage auf der Erde durchführen. Dort müssen allerdings starke Wirbelfelder eingeleitet werden, um die Probe gegen die Schwerkraft in der Schwebe zu halten. Durch diese Felder wird der Entmischungsvorgang gestört und lässt sich schlechter analysieren. Aus diesem Grund werden die Experimente in der Schwerelosigkeit der Parabelflüge durchgeführt. Um die Schmelze schnell abzukühlen, werden die Proben in dieser Kampagne mit Gas angeblasen. Dabei werden die Auswirkungen dieser Maßnahme auf die entmischte Schmelze untersucht.


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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