U01 - Zertropfen
Erzeugung sph?rischer Mikroproben durch Zertropfen
Im Teilprojekt U01 wird eine Methode zur flexiblen und reproduzierbaren Erzeugung sph?rischer Mikroproben für die Methode ?Farbige Zust?nde“ erarbeitet. Der hierfür im Projekt etablierte Hochtemperatur-Einzeltropfengenerator erweitert das bisher erreichte Temperaturspektrum von 1200 °C auf 1600 °C und erlaubt damit erstmalig die Anwendung von Einzeltropfenprozesse für St?hle und weitere Legierungen in diesem Temperaturbereich [Link]. Für die Hochdurchsatzmethode ?Farbige Zust?nde“ k?nnen damit verschiedenste Legierungen auf Aluminium-Basis (600 – 800 °C), Kupfer-Basis (1000- 1200 °C) und St?hle (1300 – 1600 °C) sph?rische Mikroproben verschiedener Durchmesser erzeugt werden.
Die Synthese solcher Proben mit einer hohen Reproduzierbarkeit setzt zun?chst eine hohe Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung und -separation voraus. Die experimentelle Ermittlung von Modellierung verschiedener Tropfenbildungsmodi ist daher ein wesentlicher Bestandteil des Teilprojektes.
Nach der Tropfenseparation erstarrt der Tropfen rasch im freien Fall in Inertgasatmosph?re (Sticktstoff, Argon, Helium) auf einer Strecke von bis zu 6.5m, bevor er in einem flüssigen Abschreckmedium (üblicherweise Wasser oder ?l) aufgefangen und weiter abgekühlt wird. Zur Einstellung geeigneter Abkühlbedingungen wurde ein Abkühlmodell entwickelt, dass die Bewegung des Tropfens in der Gasatmosph?re mit dessen Abkühlung durch Konvektion und W?rmestrahlung koppelt. Hierbei ist festzustellen, dass die bisher verfügbaren Korrelationen für den Widerstandsbeiwert einer Kugel ihre Gültigkeit bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Kugeloberfl?che und Gasatmosph?re verlieren. Durch eine CFD-Parameterstudie konnte eine temperaturabh?ngige Korrektur der bekannten Schiller-Naumann-Korrelation für den Widerstandsbeiwertes erarbeitet werden [Link]. Es zeigte sich, dass bei hohen Temperaturdifferenzen die Umstr?mung einer Kugel stark durch die Gasexpansion des umgebenden Gases beeinflusst wird, die nicht durch eine Wahl der Referenztemperatur für die Stoffwerte zwischen Kugeloberfl?chen- und Umgebungstemperatur allein darstellbar ist. Für den W?rmeübergang hingegen konnte die bekannte Korrelation nach Ranz & Marshall auch für hohe Temperaturdifferenzen best?tigt werden.
Aus diesen Erkenntnissen wurde ein Abkühlmodell für metallische Einzeltropfen formuliert und validiert [Link]. Zur Validierung wurden Einzeltropfen unter verschiedenen Prozessbedingungen aus den Modelllegierungen AlCu4.5 und CuSn6 erzeugt. Bei diesen Legierungen l?sst sich durch Auswertung des sekund?ren Dendritenarmabstandes (SDAS) anhand der Mikrostruktur die Abkühlrate w?hrend der Erstarrung ermitteln. Die Auswertung ergab einerseits eine sehr gute ?bereinstimmung mit der Vorhersage der Abkühlrate, zeigte andererseits aber auch eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Mikrostruktur.
Um auch eine hohe Reproduzierbarkeit der erzeugten Proben hinsichtlich ihrer Eigenschaften im urgeformten Zustand zu best?tigen, wird jeweils eine Teilmenge sie vor dem Einsatz in der Methode ?Farbige Zust?nde“ durch die Mikrodruckprüfung (TP D01) und durch DSC (TP U03)hinsichtlich ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften überprüft. Anschlie?end werden die Proben im Teilprojekt U03 definiert w?rmebehandelt und dann durch Deskriptoren charakterisiert.
Publikationen
S. I. Imani Moqadam, M. Baune, I. B?sing, C. Heinzel, D. Meyer, A. Thomann, N. Wielki, N. Ellendt: Reproducibility of High-Throughput Sample Properties Produced by a High-Temperature Molten Metal Droplet Generator, Metals 2020, 10, https://www.doi.org/10.3390/met10030297 .
H. Springer, C. Baron, F. Mostaghimi, J. Poveleit, L. M?dler, V. Uhlenwinkel: Additive manufacturing of high modulus steels: new possibilities for lightweight design, Additive Manufacturing 2020, https://www.oi.org/10.1016/j.addma.2019.101033 .
M. Steinbacher, G. Alexe, M. Baune, I. Bobrov, I. Bosing, B. Clausen, T. Czotscher, J. Epp, A. Fischer, L. Langstadtler, D. Meyer, S. Raj Menon, O. Riemer, H. Sonnenberg, A. Thomann, A. Toenjes, F. Vollertsen, N. Wielki, N. Ellendt: Descriptors for High Throughput in Structural Materials Development, High Throughput 2019, 8, https://www.doi.org/10.3390/ht8040022
S. Hussain, C. Cui, N. Temple, V. Uhlenwinkel, L. M?dler: Porosity and microstructure of steel tubes spray-formed by close-coupled atomizer, Journal of Materials Processing Technology 2020, 276, https://www.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116407 .
S. I. Moqadam, L. Madler, N. Ellendt: Microstructure Adjustment of Spherical Micro-samples for High-Throughput Analysis Using a Drop-on-Demand Droplet Generator, Materials (Basel) 2019, 12, https://www.doi.org/10.3390/ma12223769 .
D. Beckers, N. Ellendt, U. Fritsching, V. Uhlenwinkel: Impact of process flow conditions on particle morphology in metal powder production via gas atomization, Advanced Powder Technology 2019, in print, https://www.doi.org/10.1016/j.apt.2019.10.022 .
S. Imani Moqadam, L. M?dler, N. Ellendt: A High Temperature Drop-On-Demand Droplet Generator for Metallic Melts, Micromachines 2019, 10, 477. https://doi.org/10.3390/mi10070477
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N. Ciftci, N. Ellendt, G. Coulthard, E. Soares Barreto, L. M?dler, V. Uhlenwinkel: Novel Cooling Rate Correlations in Molten Metal Gas Atomization, Metallurgical and Materials Transactions B, 2019, https://www.doi.org/10.1007/s11663-019-01508-0
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N. Ellendt, A.M. Lumanglas, S.I. Moqadam, L. M?dler, A model for the drag and heat transfer of spheres in the laminar regime at high temperature differences, International Journal of Thermal Sciences 133 (2018) 98-105 https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.07.009
N. Ellendt, L. M?dler, High-Throughput Exploration of Evolutionary Structural Materials, HTM Journal of Heat Treatment and Materials 73(1) (2018) 3-12 https://www.doi.org/10.3139/105.110345
R. Drechsler, S. Eggersglü?, N. Ellendt, S. Huhn, L. M?dler, Exploring superior structural materials using multi-objective optimization and formal techniques, 2016 Sixth International Symposium on Embedded Computing and System Design (ISED), 2016, pp. 13-17 https://www.doi.org/10.1109/ISED.2016.7977046
L. M?dler, Is high-throughput screening for structural materials/metals possible?, International Conference on Nanomanufacturing, Bremen, 2014
Projektleitung
Dr.-Ing. Nils Ellendt
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Prof.Dr.-Ing.habil. Lutz M?dler
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Projektbearbeitung
Saeedeh Imani
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