Phase-field modeling of unidirectionally solidified microstructures under diffusive-convective regime
Creators: name: Veluvali, Pavan Laxmipathy
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Phase-field modeling
solidification
melt convection
grain boundary grooving
pattern formation

description: Moderne Werkstoffe zeichnen sich oft durch ein breites Spektrum an maßgeschneiderten mechanischen, magnetischen, elektronischen oder thermophysikalischen Eigenschaften aus. In Verbindung mit der ihnen zugrundeliegenden Mikrostruktur kann das Verhalten der meisten technischen Werkstoffe durch genaue Modellierung der neuartigen Eigenschaften mit maßgeschneiderten Morphologien vorhergesagt werden. Im Allgemeinen wird die Bildung von Erstarrungsmikrostrukturen durch das Wechselspiel zwischen Kapillarität und Diffusion bestimmt. Das Vorhandensein von Schmelzekonvektion spielt eine bedeutende Rolle für die endgültigen Gefügeeigenschaften von Gusslegierungen und wird aufgrund seiner Komplexität oft vernachlässigt. Da die Kontrolle der Mikrostruktur für jede Verarbeitungsaktivität von wesentlicher Bedeutung ist, wird in dieser Dissertation ein Phasenfeldmodell mit Flüssigphasenkonvektion verwendet, in dem die Wechselwirkung von diffusiv-konvektiven Feldern und deren Auswirkung auf die Gefügeentwicklung untersucht wird. Im folgenden Teil werden die numerischen Ergebnisse unter einem diffusionskonvektiven Regime von den Korngrenzen bis zu den Säulendendriten diskutiert. Zunächst wird ein Phasenfeldmodell verwendet, um das Phänomen des Korngrenzenrillens unter Gleichgewichtsbedingungen zu untersuchen. Das Modell wird validiert, indem die Rillenkinetik mit der volumendiffusionsgesteuerten Rillentheorie verglichen wird. In Form der Schmelzkonvektion wird erstmals die Rolle eines zusätzlichen konvektiven Transportmechanismus auf Korngrenzenrillen eingehend untersucht. Die simulierten Rillen zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit früheren experimentellen Theorien sowie mit der Theorie der scharfen Grenzflächen. Daneben wird auch die Wanderung der Fest-Fest-Korngrenze erfasst, wobei das Auftreten asymmetrischer Grate die seitliche Drift der Rillenwurzel entlang der stromabwärtigen Richtung fördert. Darüber hinaus wird die Initiierung von Mikrostrukturmustern für energetisch isotrope Grenzflächen vorgestellt, wobei die Vorhersage der Spitzenaufteilungsposition anhand eines analytischen Kriteriums diskutiert wird. Infolge von krümmungsgetriebenen Flüssen wird die fundamentale und sich wiederholende Einheit von Mikrostrukturen mit Spitzenspaltung durch einen direkten Vergleich zwischen dem Phasenfeld und der Position der scharfen Grenzflächenspitze analysiert. Im Gegensatz zu den vorhandenen Studien sagt das vorgeschlagene Kriterium die Verzweigungsposition in einem erstarrenden Muster erfolgreich voraus. Anschließend wird der Einfluss anderer Parameter wie der Grenzflächenanisotropie, der Schmelzkonvektion und der Oberflächenenergien auf den strukturellen Übergang von Mikrostrukturen mit Spitzenspaltung ermittelt. Während für ein isotropes Kristallwachstum eine Morphologie der Spitzenaufspaltung beobachtet wird, wird für anisotrope Grenzflächen das Auftreten von richtungsabhängigen säulenförmigen Dendriten demonstriert. Anschließend wird die Vorhersage des interdendritischen Armabstands bei vorhandener Schmelzkonvektion untersucht. In Übereinstimmung mit früheren experimentellen Studien wird gezeigt, dass der Selektionsmechanismus von Primärarmen durch das Eintauchen von Dendriten in das Diffusionsregime zum Überwachsen von Tertiärarmen im Diffusionskonvektionsregime führt. Darüber hinaus zeigt sich, dass die Vorhersage des primä}ren Dendritenarmabstands aufgrund des Vorhandenseins eines konvektiven Transports im interdendritischen Bereich modifiziert ist. Danach werden Phasenfeldsimulationen durchgeführt, um die Wachstumskonkurrenz von Säulendendriten vorherzusagen, die an der Korngrenze konvergieren. Während der Herstellung von Einkristall-Turbinenschaufeln häufig untersucht, wird das Überwuchsverhalten von falsch ausgerichteten Dendriten an der Korngrenze erfasst und analysiert. Zum ersten Mal wird gezeigt, dass das Vorhandensein eines zusätzlichen Massentransports in der flüssigen Massenphase die gelösten dendritischen Spitzen fördert, was wiederum denÜberwuchsmechanismus an der Korngrenze modifiziert. Durch mikrostrukturelle Auswahlkarten wird auch gezeigt, dass Parameter wie der Fehlorientierungswinkel und die Grenzflächenanisotropie dieÜberwuchsdynamik an der Korngrenze weitgehend steuern.