Liquid metal route for creation of metal matrix composites (MMCs)
Creators: name: Sarma, Mārtiņš
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: Metal matrix composites
Contactless cavitation
Solidification processing
Iron
Steel

description: In der vorliegenden Arbeit wird die Möglichkeit der kontaktlosen Erzeugung von Kavitation in Metallen und Legierungen mit hohem Schmelzpunkt wie Eisen, Stahl und Nickel untersucht. Bei diesem Verfahren wird ein konstantes Magnetfeld mit einem magnetischen Wechselfeld überlagert, wodurch Druckoszillationen in der Schmelze entstehen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht der Einfluss dieser Druckoszillationen auf die Bildung und Stabilität von Mikropartikel-Dispersionen in metallischen Werkstoffen. Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (engl. metall matrix composite, MMC) sind vielversprechende Materialien, deren Eigenschaften für den jeweiligen Anwendungszweck maßgeschneidert werden können. Bisher ist die Herstellung solcher Verbundwerkstoffe aufgrund des hohen Schmelzpunkts des Matrixmetalls auf pulvermetallurgische Fertigungsrouten beschränkt. Diese sind zum einen kostenintensiv, und zum anderen mit zusätzlichen Einschränkungen hinsichtlich der Form und der Größe der herstellbaren Werkstücke verbunden. Um neuartige Konstruktionswerkstoffe wie oxid-dispersionsverfestigte (engl. Oxide dispersion strengthend, ODS) oder hochelastische Stähle (engl. high modulus steel, HMS) erfolgreich auf den Markt zu bringen, müssen schmelzmetallurgische Prozesse entwickelt werden. Die Hauptschwierigkeit der schmelzmetallurgischen Fertigungsrouten liegt hierbei in der Agglomeration der mikroskopisch kleinen Partikel im erstarrten Werkstoffgefüge. Mit Ultraschall erzeugte Kavitation in der Schmelze kann Partikel-Agglomerationen verhindern bzw. bestehende Agglomerate aufbrechen. Allerdings ist die Verwendung herkömmlicher Ultraschall-Wandler in hochreaktiven und -korrosiven Hochtemperaturschmelzen praktisch nicht möglich. Daher besteht ein großes Interesse an der Entwicklung eines kontaktlosen Verfahrens zur berührungslosen Kavitation in partikelbeladenen Metallschmelzen. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst die zugrundeliegende Theorie und das Prinzip des Verfahrens erörtert. Anschließend werden praktische Fragestellungen bezüglich der Agglomeration von Partikeln, einschließlich des Einbringens und Dispergierens in der Metallschmelze, untersucht. Insitu-Untersuchungen mittels Neutronen-Radiographie geben hierbei einen visuellen Einblick und folglich ein besseres Verständnis für das Partikelverhalten in einer Metallschmelze. Es werden systematische Experimente zur berührungslosen Kavitation mit dem vorgeschlagenen Versuchsaufbau durchgeführt. Die interessierenden Kavitationseffekte werden in verschiedenen Metallschmelzen, u.a. Zinn, Aluminium und Stahl, beobachtet, und mittels Auswertung der akustischen Signale, welche die kollabierenden Blasen aussenden, eindeutig nachgewiesen. Ferner werden, unter Variation der eingesetzten Magnetfelder, Experimente zum Dispergieren von verschiedenen keramischen Partikeln in Metallschmelzen durchgeführt. Um eine hohe magnetische Flussdichte von bis zu 8 T zu erreichen, werden auch supraleitende Magnete eingesetzt. Die in den Kavitations-Experimenten hergestellten Proben werden metallographisch präpariert und analysiert. Für wachsende Amplituden der kontaktlos erzeugten Druckoszillationen zeigt sich eine klare Tendenz zur verbesserten Dispergierbarkeit der keramischen Partikel in der Metallschmelze.