Thermochemical and Constitutional Properties of Al-Si-Mg-Cu Alloys
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im ersten Projektzeitraum wurden die Schmelzenthalpie, -temperatur und die Wärmekapazität von Mg2Si mit dem Differential Scanning Kalorimeter (DSC) gemessen. Dies diente als Vorraussetzung für eine verbesserte Modellierung des binären Systems. Außerdem wurde ein Fenster für die Präparation der Q Phase durch die Gruppe von M. Rettenmayr (FSU) berechnet. Die durch unsere Projektpartner mittels spezieller Erstarrung hergestellte Probe aus fast reiner Q Phase ermöglichte erstmals die Messung der peritektischen Bildungstemperatur der Q Phase. Eine rigorose thermodynamische Bestimmung des für Erstarrungssimulationen zentralen Growth Restriction Factor, Q, wurde entwickelt und für mehrkomponentige Al-Legierungen, auch Al-Si-Mg-Cu, demonstriert. Damit werden die Probleme überwunden, die sich bei der konventionellen Berechnung aus dem Liquidusgradienten und Verteilungskoeffizienten ergeben. Insbesondere wird der Anwendungsbereich dieses Konzeptes auf Legierungen mit primär kristallisierenden intermetallische Phasen erweitert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der (Zn)- und (Mg)-reiche Mischkristall als eine Phase HCP_A3 modelliert werden sollte, um Artefakte zu verhindern. Im zweiten Projektzeitraum konzentrierten sich die Arbeiten auf die für das quaternäre Al-Si-Mg-Cu System entscheidenden noch ausstehenden Randsysteme, das binäre Cu-Si und das ternäre Al-Cu-Si System. Hier wurden die Temperaturen und die Reaktionsenthalpien der jeweils fünf wichtigsten invarianten Reaktionen mit der Schmelze mittels Differential Scanning Kalorimeter (DSC) gemessen. Dies diente als Vorraussetzung für eine neue Generation der Modellierung des binären Cu-Si sowie des ternären Al-Cu-Si Systems, unter Einbeziehung der neuen Experimentaldaten durch die Gruppe von B. Hallstedt (RWTH, Aachen). Darüber hinaus ist die Entwicklung einer inhärent konsistenten Temperaturfunktion für die Wechselwirkungsparameter in der Excess-Gibbsenergie gelungen. Damit werden Artefakte in der Beschreibung von Legierungsschmelzen bei sehr hohen sowie sehr niedrigen Temperaturen automatisch vermieden und zugleich die Zahl adjustierbarer Parameter verkleinert. Dieser Ansatz wird durch die Neumodellierung des Mg-Si Systems validiert, welches als Paradebeispiel für solche Arefakte bekannt ist. Erstmals gelingt damit eine konsistente thermodynamische Beschreibung dieses Systems von Null Kelvin bis zu extrem hohen Temperaturen. Die quaternäre Q Phase und ihre Phasengleichgewichte wurden im Detail untersucht. Nachdem die schwierige Präparation von Q als reine Phase in der ersten Runde durch enge Kooperation mit “Critical solidification experiments”(FSU) erstmals gelungen war, wurden die thermodynamischen Schlüsseldaten (Schmelzwärme bzw. Zersetzungsenthalpie und Temperaturen sowie die Wärmekapazität) bestimmt. Unter Einbeziehung der neuen Experimentaldaten sowie der ab initio Berechnungen des Teilprojektes “Ab initio prediction of thermodynamic data”(MPIE) wurde die vorläufige thermodynamische Modellierung der Q Phase durch eine abschließende Beschreibung im quaternären Legierungssystem Al-Si-Mg-Cu ersetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Evaluating the growth restriction factor in stable and metastable Al-Si-Ti alloy solidification. Materials Science Forum, 690, 7-10 (2011)
A. Kozlov, R. Schmid-Fetzer
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Growth restriction factor in Al-Si-Mg-Cu alloys. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (MSE), Institute of Physics Publishing, UK (Open Access), 27 p.1-6 (2011)
A. Kozlov, R. Schmid-Fetzer
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Thermodynamic aspects of grain growth restriction in multicomponent alloy solidification. Acta Materialia, 59, 6133–6144 (2011)
R. Schmid-Fetzer, A. Kozlov
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"Assessment of the binary Mg-Si phase diagram”, Calphad 37 (2012) 77–86
M. Schick, B. Hallstedt, A. Glensk, B. Grabowski, T. Hickel, J. Gröbner, M. Hampl, J. Neugebauer, R. Schmid-Fetzer
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“Is Zinc HCP_ZN or HCP_A3?”, Calphad, 37, 34-36 (2012)
R. Schmid-Fetzer, and B. Hallstedt
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“Solidifying incongruently melting intermetallic phases as bulk single phases using the example of Al2Cu and Q-phase in the Al-Mg-Cu-Si system”, J. Alloys and Compounds - JALCOM 515 (2012) 123-127
A. Löffler, J. Gröbner, M. Hampl, H. Engelhardt, R. Schmid-Fetzer, M. Rettenmayr
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Inherently consistent temperature function for interaction parameters demonstrated for the Mg–Si assessment. Calphad, 54, 82-96 (2016)
S.-M. Liang, P. Wang, R. Schmid-Fetzer
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“Calorimetric measurements and assessment of the binary Cu–Si and ternary Al–Cu–Si phase diagrams”, Calphad, 53, 25-38 (2016)
B. Hallstedt, J. Gröbner, M. Hampl, R. Schmid-Fetzer
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“Quaternary Al-Cu-Mg-Si Q phase: Sample preparation, heat capacity measurement and first-principles calculations”, J. Phase Equilibria Diffusion, 37, 119-126 (2016)
A. Löffler, A. Zendegani, J. Gröbner, M. Hampl, R. Schmid-Fetzer, H. Engelhardt, M. Rettenmayr , F. Körmann, T. Hickel, J. Neugebauer
