Ordnungs - Unordnungsübergänge in Überstrukturen, untersucht durch die dendritische Wachstumsgeschwindigkeit in unterkühlten Schmelzen intermetallischer Legierungen
Final Report Abstract
Die Schmelzen der Legierungen Ni50Al50, Ni60Al40 und Ni75Al25, die intermetallische Phasen bilden, sowie Ti45Al55, das eine Mischphase bildet, wurden mittels der elektromagnetischen Levitation behälterfrei unterkühlt und erstarrt. Große Unterkühlungen und damit große treibende Kräfte zur raschen Erstarrung wurden erreicht da die heterogene Keimbildung an Tiegelwänden ausgeschaltet war. Der Erstarrungsvorgang von geordneten intermetallischen Verbindungen läuft aufgrund der von den Legierungsatomen zu bildenden Überstruktur deutlich langsamer ab als die Kristallisation ungeordneter Mischphasen. Die kinetisch erzwungene Reduktion der chemischen Ordnung in Gitter-Überstrukturen konnte in Ni50Al50 in dem experimentell zugänglichen Unterkühlungsbereich nachgewiesen werden. Dieser Prozess wird als “Disorder Trapping“ bezeichnet und äußert sich durch einen sprunghaften Anstieg der gemessenen Erstarrungsgeschwindigkeiten bei einer kritischen Unterkühlung. Den direkten Nachweis einer primär ungeordneten Erstarrung einer sonst chemisch geordneten Phase (hier Ni50Al50) bei der Erstarrung aus dem Zustand der unterkühlten Schmelze erbrachten zeitaufgelöste energiedispersive Röntgenbeugung an levitaionsprozessierten Schmelzen unter Nutzung von Synchrotronstrahlung am European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). Bei Überschreiten einer kritischen Unterkühlung von ∆T ≈ 260 K verschwinden die Beugungsreflexe der Übergitterstruktur, die allerdings während der Postrekaleszenz Periode wieder erscheinen. Dies demonstriert zweierlei: (i) die chemische Ordnung des Übergitters wird durch Unterkühlungen größer als ∆T=260 K vollständig bei der Primärerstarrung unterdrückt, es entsteht primär eine vollständig ungeordnete Al50Ni50 Phase. Infolge geringer Abkühlraten setzt die Ordnung dieser gestörten Übergitterstruktur bereits während der Post-Rekaleszenz Phase ein. (ii): Dies macht verständlich, dass eine ungeordneten B2 Phase bei Untersuchungen der erstarten Probe bei Raumtemperatur nicht nachgewiesen werden kann. Modelle zur Beschreibung des dendritischen Wachstums in unterkühlten Schmelzen legen nahe dass das Kristallwachstum durch Flüssigkeitsströmungen in der Probe beeinflusst wird. Die Untersuchungen zum Einfluss der Flüssigkeitsströmung auf die Wachstumskinetik und die Mikrostrukturbildung wurden an Ni-Al Legierungen der Zusammensetzung Ni50Al50 und Ni60Al40 durchgeführt, indem Proben dieser Legierungen in reduzierter Schwerkraft während Parabelflügen untersucht wurden. Im Fall der nicht kongruent schmelzenden Legierung Ti45Al55 wurden Maximalgeschwindigkeiten von 25 m/s bei ∆T = 360 K erreicht, und es wird ein steiler Anstieg der Wachstumsgeschwindigkeiten bei einer kritischen Unterkühlung ∆T = 265 K beobachtet. Dies lässt sich durch “Solute Trapping“ während der Primärerstarrung der α-Phase erklären. “Solute Trapping“ ist ein zum “Disorder Trapping“ analoger Vorgang, in dem bei der raschen Erstarrung von Mischkristallen Abweichungen vom chemischen Gleichgewicht an der Erstarrungsfront auftreten, die zur Erstarrung von übersättigten Mischkristallen führt. Die Modellierung der Wachstumsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Unterkühlung mit dem “Sharp Interface“ Modell reproduziert den Verlauf der gemessenen Kurve und bestätigt damit die primäre Erstarrung eines übersättigten Mischkristalls in Ti45Al55. Vergleichende Experimente im Erdlabor und in reduzierter Schwerkraft demonstrieren dass bei reduzierter Konvektion homogene Gefüge gebildet werden und dass ein scharfer Übergang bei einer kritischen Unterkühlung von grobkörnigem zu equiaxialem korngefeinten Gefüge erfolgt.
Publications
- Change of the kinetics of solidification and microstructure formation induced by convection in the Ni-Al system, Applied Physics Letters 91 (2007) 041913
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- Non-equilibrium and near-equilibrium solidification of undercooled melts of Niand Al-based alloys, Advanced Engineering Materials 10 (2008) 444 – 452
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- Nonequilibrium solidification in undercooled Ti45Al55 melts, J. Applied Physics 103 (2008) 073509-1-9
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- Evidence of the transition from ordered to disordered growth during rapid solidification of an intermetallic phase, Europhysics Letters 87 (2009) 40007
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- In situ observation of solidification processes in g-TiAl alloys by synchrotron radiation, Acta Materialia 58 (2010) 2408-2418
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