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A-Bereich: Phasenfeldsimulation der Erstarrung von Al-Si

Ansprechpartner: M.Sc. Sebastian Schulz
  Motivation und Ziele:
Das eutektische Materialsystem Aluminium-Silizium stellt eine der wichtigsten Gusslegierungen auf Aluminiumbasis dar. Das Erstarrungsverhalten dieses binären Systems und darauf aufbauender mehrkomponentiger Legierungen ist deshalb ein wichtiges Forschungsgebiet. Die Phasenfeld-Methode unter der Verwendung thermodynamischer Datensätze ermöglicht es, die Gefügeentwicklung während der Erstarrung durch Computersimulationen nachzubilden. Aus den Simulations-Ergebnissen lassen sich Kenngrößen, wie etwa Dendritenarmabstände, auslesen und mit Experimenten vergleichen. Das Ziel ist es, zukünftig in der Lage zu sein, Vorhersagen über den Einfluss der Zusammensetzung und der Prozessparameter auf die Gefügeeigenschaften treffen zu können und somit zur weiteren Optimierung des Aluminiumgusses beizutragen. 
Untersuchungen Ergebnisse
Für die Durchführung von Phasenfeldsimulationen müssen die thermodynamischen Eigenschaften des zu untersuchenden Materialsystems bekannt sein. Wirtschaftlich relevante Systeme sind bereits durch zahlreiche Experimente ausgiebig untersucht worden und die daraus gewonnenen thermodynamischen Kenngrößen liegen in Form von thermodynamischen Datensätzen vor. Mithilfe der Calphad-Methode lassen sich aus diesen Datensätzen die freien Enthalpien der einzelnen Phasen in Abhängigkeit der Temperatur und chemischen Zusammensetzung berechnen. Die freien Enthalpien und daraus abgeleitete Größen finden in den Simulationen Anwendung in Form von Funktionen, die für den zu untersuchenden Temperatur- und Konzentrationsbereich angepasst wurden. Mithilfe von Calphad-Daten war es möglich das Erstarrungsverhalten von Al-Si qualitativ nachzubilden. Es konnte äquiaxiales, dendritisches Wachstum in einer gleichmäßig unterkühlten Schmelze simuliert werden. Überdies wurde der Übergang von einer planaren zu einer zellulären hin zu einer dendritisch wachsenden Front bei der gerichteten Erstarrung der aluminiumreichen Festphase simuliert. Für eine eutektische Zusammensetzung konnte zudem das gekoppelte Wachstum der siliziumreichen und der aluminiumreichen Festphase reproduziert werden.