Erarbeitung eines Modells für die Viskosität flüssiger Legierungen mit Vorhersageeigenschaften durch Implementierung konsistenter thermodynamischer Beschreibungen und Validierung durch experimentelle Untersuchungen von Magnesium-Legierungsschmelzen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Norbert Hort; Professor Dr.-Ing. Rainer Schmid-Fetzer
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 195190341

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Sieben Modelle zu Vorhersagen von Viskositäten metallischer Schmelzen wurden mit Hilfe experimenteller Daten von 40 binären Systemen verglichen. Zur exakten Berechnung der Mischungenthalpien der Schmelzen wurden für alle 40 binären Systeme konsistente Calphad-Beschreibungen erstellt. Das relativ einfach aufgebaute KRP Modell wurde im Rahmen dieser Untersuchung als das Zuverlässigste erkannt. Es liefert für mehr als die Hälfe der untersuchten Systeme eine brauchbare Vorhersage. Kein Modell beschreibt die Viskosität für alle Systemtypen zuverlässig. Eine Regel, ob einzelne Modelle für einzelnen Systemtypen geeigneter sind, konnte nicht gefunden werden. Für die in diesem Projekt zu untersuchenden ternären Mg-Legierungen wurden Datensätze für die technisch verbreiteten Mg-Al-Zn-Legierungen und für die viel versprechenden Mg- Gd-Zn-Legierungen erarbeitet. Dazu musste das komplizierte und bisher wenig verstandene, ternäre Mg-Gd-Zn System vollständig experimentell untersucht werden. Die mit Hilfe dieser Enthalpiedaten und den Modellen berechenten Viskositäten wurden mit den experimentell gemessenen Werten von Mg-Zn und Mg-Gd vergleichen. Im Grundsatz ist festzustellen, dass die experimentelle Bestimmung der Viskosität von Magnesium und Magnesiumlegierungen mit dem aktuellen Versuchsaufbau nicht einfach ist. Das Messprinzip kann man als bewährt ansehen, jedoch ergeben sich massive Probleme durch die Rotation des Prüfkörpers und die dadurch erleichterte Oxidation der Mg-Schmelze. Es erscheint daher notwendig, die Vorrichtung so zu modifizieren, dass sie vollständig in einer inerten Atmosphäre aufgebaut ist. Aufgrund des hohen Dampfdruckes von Mg ist ein Setup in einem Unterdruck oder Vakuum nicht geeignet. Analoges gilt auch zur experimentellen Bestimmung der Dichte. Allerdings ist hier der Schwierigkeitsgrad geringer. Im Trend konnte jedoch gezeigt werden, dass die Dichte der Metallschmelzen bei den untersuchten Werkstoffen mit der Temperatur sinkt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Measurement and calculation of viscosity of metals – a review of current status and developing trends, Meas. Sci. Technol. 25 (2014) (9pp)
  J. Cheng, J. Gröbner, N. Hort, K. U. Kainer, R. Schmid-Fetzer
  
• Phase equilibria and transformations in ternary Mg–Gd–Zn alloys, Acta Mater. 90 (2015) 400–416
  J. Gröbner, A. Kozlov, X. Fang, S. Zhu, J.-F. Nie, M.A. Gibson, R. Schmid-Fetzer
  
• Metastable phase formation in ternary Mg–Gd–Zn alloys, J. Alloys Comp. Volume 675, 5 August 2016, Pages 149-157
  J. Gröbner, S. Zhu, J.-F. Nie, M. A. Gibson, R. Schmid-Fetzer