Messungen thermophysikalischer Eigenschaften metallischer Schmelzen für die Simulation industrieller Gieß- und Erstarrungsprozesse



Die Simulation von Gieß- und Erstarrungsprozessen metallischer Legierungen wird zunehmend in der industriellen Produktion zur Optimierung von Herstellungsprozessen und Materialeigenschaften eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen komplexen Prozess, der von der Simulation des Fließ- und Abkühlverhaltens einer Schmelze im Gießprozess bis zur Berechnung der so entstehenden Gefügestruktur und deren mechanischen Eigenschaften reicht.

Die Simulation von Gießprozessen wird dabei nicht nur zur Verfahrensoptimierung bereits bewährter Prozesse eingesetzt, sondern auch zur Entwicklung geeigneter Gießprozesse für neue Werkstoffe, wie zum Beispiel bestimmter Titan-Legierungen. Der Einsatzbereich der Simulation von Gießprozessen umfasst alle technisch wichtigen Legierungen wie Stähle, Nickel-Basis-Legierungen, Titan-Legierungen, Grauguss und Kupferlegierungen sowie Aluminium-, Lithium- und Magnesium-Legierungen.

Die Viskosität oder Zähigkeit einer Flüssigkeit ist neben der Dichte die bestimmende physikalische Eigenschaft für die Berechnung des Fließverhaltens. Es gibt verschiedene Messmethoden für die Viskosität, wie zum Beispiel die Methode des rotierenden oder schwingenden Tiegels. 

Dabei kommen die teilweise chemisch äußerst reaktionsfreudigen Metallschmelzen jedoch in Berührung mit dem Tiegelmaterial und können dadurch verunreinigen. Dementsprechend besteht ein Mangel an zuverlässigen Viskositätswerten industrieller Schmelzen. Das Gleiche gilt auch für andere Eigenschaftswerte.

Kontaktlose Methoden, wie zum Beispiel die elektromagnetische Levitation, bieten hier eine Alternative. Dabei wird eine metallische Probe durch starke elektromagnetische Felder zum Schweben gebracht und geheizt. Zur Messung der Viskosität regen die Wissenschaftler die Oberfläche der Probe mittels elektrischen Impulsen zu Schwingungen an. Aus deren Frequenz und Abklingzeit können sie die Oberflächenspannung und Viskosität berechnen. Dabei nehmen die Wissenschaftler mit einer Hochgeschwindigkeitskamera ein Bild der Probe auf und analysieren so deren Verformung.

Im Labor auf der Erde kann diese Methode jedoch nicht zur Bestimmung der Viskosität angewandt werden. Denn die starken elektromagnetischen Felder, welche benötigt werden, um die Probe entgegen der Schwerkraft zum Schweben zu bringen, verursachen in der Schmelze turbulente Strömungen. Diese beeinflussen die Abklingzeit der Oberflächenschwingungen und die Berechnungen werden ungenau. Aus diesem Grunde führen die Forscher entsprechende Messungen in der Schwerelosigkeit während eines Parabelfluges durch . Denn unter reduziert Schwerkraft benötigt man schwächere elektromagnetische Felder und die Proben bleiben ungestörter.

Im Rahmen des ThermoLab- und des IMPRESS-Projektes sollen entsprechende Messungen an zwei Stählen, einer Nickel-Basis-Legierung sowie einer Titanium-Legierung durchgeführt werden. Diese Legierungen wurden von Industriepartnern aus dem ThermoLab-Projekt vorgeschlagen.

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und von der Europäischen Raumfahrtagentur ESA gefördert.


Kontakt
Prof. Dr. Hans-Jörg Fecht
Universität Ulm

Abteilung Werkstoffe der Elektrotechnik

Tel: +49 731 502 5490
Dr. Rainer K. Wunderlich
Universität Ulm

Abteilung Werkstoffe der Elektrotechnik

Tel: +49 731 502 5490

E-Mail: rainer.wunderlich@e-technik.uni-ulm.de
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