Die Wechselwirkung von Partikeln mit einer dendritischen Erstarrungsfront in Schwerelosigkeit



Metallische Werkstoffe werden häufig mit keramischen Partikeln verstärkt, um sie widerstandsfähiger zu machen. Neu und günstig ist die Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes direkt aus der Schmelze. Dies setzt allerdings voraus, dass man die Wechselwirkung der Erstarrungsfront mit den keramischen Partikeln genau kennt.

Die Erstarrungsfront bildet die Grenze zwischen den flüssigen und den bereits festen Bereichen. Sie verschiebt sich im Laufe der Erstarrung des Metalls in Richtung des heißesten Punktes. Die Wissenschaftler interessieren sich insbesondere dafür, ob die Partikel von der Erstarrungsfront voran geschoben werden, oder ob die Front über die Partikel hinweg läuft.

Als Faustregel gilt, dass bei konstanter Erstarrungsgeschwindigkeit große Partikel eher eingebaut werden als kleine. Ändert sich die Erstarrungsgeschwindigkeit, baut eine Front mit höherer Geschwindigkeit auch kleinere Partikel ein. Bleibt eine Schmelze auch unterhalb des Schmelzpunktes flüssig, so wird dies als Unterkühlung bezeichnet. Erstarrt diese Flüssigkeit ab einer bestimmten Temperatur dann doch, so geschieht dies sehr schnell. Die Mikrostruktur der Probe wird "eingefroren" und kann nach dem Experiment im Elektronenmikroskop untersucht werden.

Ein Teil der Probe kristallisiert beim Erstarren in Form einer dendritischen Struktur (Bäumchenstruktur). Durch Veränderung der Unterkühlungstemperatur lässt sich die Geschwindigkeit der Erstarrungsfront steuern. Diese wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera in situ beobachtet

In diesem Experiment in der TEMPUS-Anlage werden Eisen-, Nickel- und Kupferbasis-Legierungen mit keramischen Partikeln untersucht. Grundsätzlich lassen sich die Unterkühlungsexperimente auch in einer elektromagnetischen Levitationsanlage auf der Erde durchführen. Dort müssen allerdings starke elektromagnetische Felder eingeleitet werden, um die Probe gegen die Schwerkraft in der Schwebe zu halten.

Das hat zur Folge, dass die Partikel häufig bereits in der Aufheizphase aus der flüssigen Probe herausgeschleudert werden. Die Schwerelosigkeit bietet daher bessere Experimentiermöglichkeiten. Auch die Erstarrungsbedingungen sind durch die geringeren elektromagnetischen Wirbelfelder vorteilhafter.


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