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U01 - Zertropfen

U01 - Erzeugung sphärischer Mikroproben durch Zertropfen

Der Entstehungsprozess metallischer Mikropartikel beeinflusst deren Mikrostruktur und daraus resultierende physikalische und chemische Eigenschaften. Das Zertropfen von Metallschmelzen stellt einen Prozess dar, mit dem gezielt die Größe der Mikropartikel und die durch die Gasatmosphäre und Tropfenbewegung determinierten Abkühlbedingungen eingestellt werden können. Die Prozessführung ist dabei stark materialabhängig und benötigt in-situ Charakterisierungen, die sowohl die Tropfenerzeugung als auch die Abkühlung mit den Prozessparametern verknüpfen. Die in-situ-Erfassung des Tropfendurchmessers  und der Tropfentemperatur dient der Entwicklung einer mehrdimensionalen Prozessfunktion für die Automatisierung des Prozesses. Ziel ist die Einstellung spezifischer Tropfengrößen unabhängig von den Stoffwerten der verwendeten Schmelze. Im Teilprojekt U01 werden sphärische Mikroproben verschiedener Legierungszusammensetzungen durch Einzeltropfenerzeugung mit anschließender gezielter Abschreckung hergestellt, an denen Experimente zur Einfärbung und der Bestimmung von Deskriptoren durchzuführen sind. Eine hohe Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung und –abkühlung und der daraus folgenden Probengeometrie ist essentiell, um die Vergleichbarkeit der folgenden Prozessschritte sicherzustellen. Hierfür ist ein grundlegendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Ausbildung der Druckoszillation im Tropfengenerator und der daraus resultierenden Tropfenbildungs- und -ablösungsmechanismen notwendig. Eine Strömungsmodellierung der Prozessphasen „Ausbildung der Druckoszillation“, „Tropfenbildung“ und „Tropfenablösung“ dient der Untersuchung neuer Prozessfenster hinsichtlich Prozessstabilität und der Identifikation neuer Potentiale für die Tropfenerzeugung. Gefundene Prozessfenster werden experimentell validiert.

Neben der für das Hochdurchsatzverfahren geometrisch wichtigen und sehr eng zu tolerierenden Tropfengröße hat die Abkühlrate der Tropfen direkten Einfluss auf die resultierende Mikrostruktur. Für die Vorhersage von thermischen Historien ist die Kenntnis des konvektiven Wärmeübergangs notwendig. Im für Stähle relevanten Temperaturbereich existiert hier jedoch eine Wissenslücke, da bedingt durch die Temperaturabhängigkeit der Anzahl vibronischer Freiheitsgrade typischer Inertgase, gängige Korrelationen nicht unmittelbar gültig sind. Durch neuartige hochgeschwindigkeitsthermographische Untersuchungen an Einzeltropfen kann deren thermische Historie experimentell und in der Folge in diesem Temperaturregime der konvektive Wärmeübergang bestimmt werden. Die Durchführung einer Conjugate-Heat-Transfer-Modellierung zur Berechnung von Wärmeübergängen und deren Validierung durch die Experimente erlaubt, gefundene Korrelationen zukünftig für gänzlich andere Gastypen (z.B. reaktive Gasatmosphären) rechnerisch weiterzuentwickeln und zur Validierung nur wenige Experimente durchzuführen zu müssen. Erst die exakte Kenntnis auftretender Wärmeübergänge erlaubt eine definierte und prädiktive Einstellung von thermischen Historien durch eine Variation des Tropfendurchmessers oder auch durch die Auswahl von Inertgasen oder deren Mischungen. Die Erkenntnisse zum Wärmeübergang an Partikeln sind direkt auf andere thermische Sprühprozesse, wie sie z.B. für die Erzeugung von Metallpulvern für die Pulvermetallurgie benötigt werden, übertragbar.

Die Reproduzierbarkeit der erzeugten Mikroproben ist nicht nur auf der Prozessebene durch den Tropfengröße oder thermischer Historie quantifizierbar, sondern auch durch die daraus resultierende Mikrostruktur. Die Teilprojekte des hier beantragten Sonderforschungsbereiches bieten ein sehr breites Spektrum zur Verfügung stehender Analysemethoden z.B. auf kalorimetrischer, röntgenographischer oder auch elektrochemischer Ebene zur Beurteilung der Reproduzierbarkeit. Die Möglichkeit, Mikroproben sowohl auf der Prozess- als auch auf der Werkstoffebene tiefgehend miteinander vergleichen zu können, erlaubt die Qualifizierung des im Teilprojekt U01 entwickelten Verfahrens hin zu einem Verfahren zur Mikroprobenerzeugung, das den hohen Ansprüchen einer Hochdurchsatzanalyse gerecht wird.

Publikationen

Ellendt, N., Mädler, L. High-Throughput Exploration of Evolutionary Structural Materials. HTM Journal of Heat Treatment and Materials. 2018. Bremen, Germany. [Link zum PDF]

Mädler, L. Is high-throughput screening for structural materials metals possible? in 4th international Conference on Nanomanufacturing (nanoMan 2014). 2014. Bremen, Germany.

Aktualisiert von: Claudia Sobich