Entwicklung eines Mehrphasen-Erstarrungsmodells und experimentelle Untersuchung der Formfüllung bei Gießprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die wesentlichen Ziele des durchgeführten Vorhabens für diesen Berichtszeitraum lagen in der Entwicklung eines mehrkomponentigen Erstarrungsmodells sowie der Durchführung von Validierungsversuchen für die Projektpartner und für eigene Modelle. Aus den durchgeführten Experimenten wurden zudem Modelle formuliert und deren Parameter identifiziert, um die beobachteten Effekte mit praktikablen Ansätzen in den durchgeführten Simulationen zu berücksichtigen. Ausgehend von einem binären Euler’schen mehrphasen Strömungs- und Erstarrungsmodell wurden ein Ansatz und eine Konzentrationsdatenbank für die mehrkomponentige Strömungs- und Erstarrungssimulation für ein VoF-Modell formuliert. Die Konzentrationsdatenbank für Teilbereiche des Systems Al-Si-Mg-Fe wurde mit Hilfe einer thermodynamischen Datenbank unter Anwendung von Thermo-Calc erstellt. Die so gewonnen Datenpunkte wurden in Regressionsgleichungen abgebildet, um damit die benötigten Gleichgewichtsinformationen für das Erstarrungsmodell direkt interpolieren zu können, so dass auf zeitaufwändige thermodynamische Berechnungen im Strömungs- und Erstarrungsmodell selbst verzichtet werden kann. Zudem wurde das Strömungs- und Erstarrungsmodell in ein OpenSource Softwarepaket portiert und erste Simulationen für eine einfache Blockgeometrie durchgeführt. In einem transparenten Analogsystem mit ähnlichem Dichteunterschied wie Aluminium-Aluminiumoxid wurde das Fließverhalten von Wachspartikeln in Salzwasser in einem Strömungskanal unter Verwendung unterschiedlicher Hindernisse und Rotationsgeschwindigkeiten aufgezeichnet und ausgewertet. Aus den Versuchen und dem Vergleich mit Simulationen konnte erkannt werden, dass die Wachspartikel weitgehend den durch die Strömungsbedingungen gebildeten Fließkanälen folgen und sich je nach Hindernis unterschiedlich ablagern. Zur Untersuchung des Oxidfilmwachstums als Funktion der Zeit und Temperatur wurden kleine Aluminiumquader unterschiedlichen Wärmebehandlungsszenarien ausgesetzt und der gebildete Oxidfilm mit EDX untersucht. Die experimentellen Ergebnisse ließen die Möglichkeit der Modellierung des Schichtwachstums mit einem diffusiv-advektivem Ansatz erkennen, was entsprechend umgesetzt wurde. Das Blockgussexperiment mit gezielter Lunkerbildung zur Bestimmung des Einflusses von Oxidfilmen auf die Porositätsentstehung wurde durch Entwicklung eines automatisierten Abgießverfahrens verfeinert und zudem der Einfluss des Wasserstoffgehalts untersucht. Die Porenverteilung wurde für unterschiedliche Bedingungen dreidimensional mit röntgentomographischen Aufnahmen erfasst. Die erzeugten Ergebnisse wurden zur Softwarevalidierung und zur Entwicklung des Porositätsmodells in TP3 eingesetzt, was in gemeinsamen Veröffentlichungen dokumentiert wurde und auf Fachkonferenzen Beachtung fand. Nachdem im vorangehenden Projektzeitraum bereits der Einfluss von Oxiden auf das Formfüllverhalten mit Hilfe der Gießspirale untersuchte wurde, wurden nunmehr auch Wasserstoffvariationen durchgeführt und gezeigt, dass die Fließlänge mit steigender Wasserstoffkonzentration zunimmt. Nach Untersuchung von Mikrostrukturparametern wie Formfaktor und Dendritenarmabstände gibt es Hinweise auf einen grenzflächenenergetischen Einfluss von Wasserstoff. Die erarbeiteten Ergebnisse wurden bei der Weiterentwicklung des Erstarrungsmodells in TP3 zur Simulation der Fließlänge in Abhängigkeit des Wasserstoffgehalts erfolgreich eingesetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical Predictions of Gas Porosity in Industrial Casting Processes using Fully Coupled Mold-Filling and Solidification Simulation, Int. Conf. on Modeling of Casting, Welding, and Advanced Solidification Processes (MCWASP) XII., Ed. S.L. Cockcroft, D. M. Maijer, Vancouver, BC, 2009, ISBN 978-0-87339-742-1,pp. 377-384
S. Jana, J. Jakumeit. and M.Y. Jouani
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(2012): Four-phase fully-coupled mold-filling and solidification simulation for Gas Porosity Prediction in Aluminum Sand Casting, MCWASP XIII., 17.-22.6.2012, Austria
J. Jakumeit, S. Jana, T. Waclawczyk, A. Mehdizadeh, M. Y. Jouani, A. Bührig-Polaczek
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Simulation-based prediction of micro-shrinkage porosity in aluminum casting: Fully-coupled numerical calculation vs. criteria functions, 2012 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 27, article number 012066
J. Jakumeit, S. Jana, B. Böttger, R. Laqua, M.Y. Jouani, A.Bührig-Polaczek
