Institut für Materialphysik im Weltraum Viskosität mehrkomponentiger Metallschmelzen Jürgen Brillo Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Köln Institut für Materialphysik im Weltraum, Köln Institut für Materialphysik im Weltraum Material- und Prozessdesign mehr als 70 % aller Materialien werden direkt aus der Schmelze hergestellt • Simulationswerkzeuge sind nicht mehr wegzudenken • Qualität der Simulation ist durch Thermophysikalische Parameter begrenzt (mit freundlicher Genehmigung von MAGMA) Ansatz A.) Aufbau von Materialdatenbanken Ansatz B.) Untersuchung von Modellsystemen (binär, ternär, …) in Hinblick auf Dichte, Viskosität und … Institut für Materialphysik im Weltraum (Scher-)Viskosität, eine interessante Größe • Koeffizient für Impulsdiffusion • Subsummiert kollektive atomare Dynamik • Beschreibt konvektiven Materialtransport in Schmelzen Eine von mehr als 20 Formen zur Beschreibung der T-Abhängigkeit: EA (T ) 0 exp( ) RT (Arrhenius-Gesetz) Institut für Materialphysik im Weltraum Modelle zur Konzentrationsabhängigkeit: H (cCu ) ) 1 2 40 Fe60 RT (cCu Cu (1 cCu ) Ni Moelwyn Hughes N Kozlov Romanov Petrov ln( ) ci ln(i ) Hirai 1.7 10 FRAGE i 1 7 H 3RT 2 / 3TL1/ 2 M 1/ 6 2.65 TL1.27 1 1 exp R T TL 2 3 3 3 E Welches Modell besten, Ei 3RT ci cam RT c ln( c ) G ( c , c , c , T ) cifunktioniert j i i 1 2 3 hN Av Seetharaman/ 1 i 1 j i i 1 i Kritererien bzw. was die zur Auswahl eines sind exp Du Sichen V RT bestimmten Modells 3 ??? ci Ei 0.156 H h N Av Kaptay exp i 1 V RT Brillo/Schick xix 0x,i exp( xi E A,i / RT ) i i i i Institut für Materialphysik im Weltraum Messung der Viskosität Schwingtiegelverfahren • Messungen bis 2300 K (theoretisch) • glatte, kontinuirliche Kurven werden erhalten • Tiegelreaktionen sind zu vermeiden Institut für Materialphysik im Weltraum Viskosität von Al-Cu präzise Werte über gesamten Konz-bereich breiter T-Bereich: TL < T < 2000 K 1)2)3) Brillo, Chathoth, Koza, Meyer, APL (2008) Institut für Materialphysik im Weltraum Viskosität von Al-Cu 1) Assael et al (2006) , 2) Brillo, Chathoth, Koza, Meyer (2008), 3) Institut für Materialphysik im Weltraum Viskosität von Ag-Al-Cu Institut für Materialphysik im Weltraum Viskosität von Cu-Fe-Ni Institut für Materialphysik im Weltraum Bewertungskriterien „Bestes Modell“ Am nächsten dran „OK“ Innerhalb der Fehlerbalken „Erfolgreich“ „OK“ oder „Bestes Modell“ „Teil-ok“ „Teilweise innerhalb der Fehlerbalken“ und ähnliches qualitatives Verhalten „Versagt“ „Außerhalb der Fehlerbalken“ 1) Assael et al (2006) , 2) Brillo, Chathoth, Koza, Meyer (2008), 3) Institut für Materialphysik im Weltraum Best-Model-Award Systeme: Cu-Fe-Ni, Co-Cu-Ni, Cr-Fe-Ni, Fe-Ni, Ag-Cu, Ag-Al-Cu, Al-Cu, Al-Cu-Si, Co-Sn, .. Model Kategorie Am besten OK alle erfolgreich versagt Moelwyn/Hughes 3 (100%) 3 Seetharaman 4 (100%) 4 Brillo/Schick 1 (17%) 2 (33%) 3 (50%) 2 Kaptay 2 (29%) 2 (29%) 4 (57%) 7 Kozlov 2 (29%) 4 (57%) 6 (86%) 7 3 (43%) 3 (43%) 2 Hirai (33%) (29%) 6 7 Institut für Materialphysik im Weltraum Tendenzen Klasse I (Cu-TM) II (TM-TM, Cu-Cu) III (Al-TM, bzw. EG<<0) System Bestes Modell Cu-Fe-Ni Kaptay Co-Cu-Ni Kaptay Cr-Fe-Ni Kozlov=Kaptay=Hirai Fe-Ni Kozlov (Ag-Cu Kozlov) Ag-Al-Cu Brillo/Schick Al-Cu Brillo/Schick Al-Cu-Si Brillo/Schick=Kozlov=Kaptay Co-Sn Kaptay •Institut für Materialphysik im Weltraum Zusammenfassung • Viskositäten von binären und ternären Systemen wurden gemessen als Funktion der Temperatur und Zusammensetzung • Thermodynamische Modelle wurden überprüft. Ergebnis • Kozlov Modell ist am erfolgreichsten, jedoch nicht bei jedem System gleichzeitig auch das beste Modell. • Systeme lassen sich in drei Klassen einteilen: I, II, III Bestes Modell • Klasse I : Kaptay • Klasse II : Kozlov • Klasse III: Brillo/Schick Institute of Materials Physics in Space Thank you for your attention (funding by DFG under contracts BR 3665/xy) Institut für Materialphysik im Weltraum, Köln
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