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Detektion der Position der Phasengrenzfläche bei der Erstarrung

M. Schmachtl, T. J. Kim, W. Grill

Institut für Experimentelle Physik II der Universität Leipzig

   Die mechanischen Eigenschaften von intermetallischen Legierungen sind abhängig vom Gefüge des Materials. Bei der Herstellung der Werkstoffe kann über die Erstarrungsgeschwindigkeit durch planares, zellulares oder dendritisches Wachstum ein makro- oder mikrokristallines Gefüge erzeugt werden. In Kooperation mit der DASA und ACCESS e. V. wurde mit Unterstützung der ESA am Institut für Experimentelle Physik II der Universität Leipzig ein Ultraschallgerät entwickelt, mit dem die Position und die Geschwindigkeit der Erstarrungsfront mit hoher Auflösung (typisch 10 µm Ortsauflösung und 0,5 µm/s Geschwindigkeitsauflösung) auch bei wechselnden Erstarrungsbedingungen bestimmt werden kann.

Verfahren

Abbildung 1: Prinzip des Ultraschallmeßverfahrens

   Mit Hilfe eines am kalten Ende der Probe angebrachten Schallwandlers wird - analog zur Echolot-Technik - aus der Laufzeit der reflektierten Ultraschallpulse die Position und die Bewegung der Grenzfläche bestimmt. Durch die erstmals für solche Zwecke eingesetzten geführten Schallwellen ist das entwickelte Verfahren unempfindlich bezüglich der Form der Erstarrungsfront und erlaubt zuverlässige Messungen auch bei grobkristallinem Gefüge. Spezielle Korrelationsverfahren bei der Echtzeitverarbeitung der Ultraschallsignale führen zu einer Auflösung von typisch 1/10 000 der Wellenlänge des eingesetzten Schalls.

Positionen

Abbildung 2: Gemessene Position der Phasengrenzfläche beim Aufschmelzen und Erstarren einer Kupfer-Mangan-Legierung (stabförmige Probe, Durchmesser 7 mm)

   Das Verfahren ist in einem weiten Temperaturbereich und ohne Einschränkung bezüglich der verwendeten Materialien einsetzbar. Es wird bereits regelmäßig zur Kontrolle von Schmelz- und Erstarrungsprozessen bei hochschmelzenden Metallegierungen in einem Bridgman-Ofen bei ACCESS e. V. eingesetzt. Ergänzend wurden ortsauflösende berührungslose Ultraschallprüfverfahren zur Charakterisierung der erstarrten Werkstoffe entwickelt.

   Da die Erstarrungsgeschwindigkeit die Ausbildung des Mikrogefüges mitbestimmt und damit maßgeblich die mechanischen Eigenschaften des erstarrten Materials oder Werkstückes beeinflußt, erlauben die entwickelten zerstörungsfreien Ultraschallverfahren neben der Echtzeit-Prozeßkontrolle auch die Qualitätssicherung des Endprodukts. Derzeit wird eine neue Generation der elektronischen Gerätekomponenten in kompakter Form entwickelt, um den Einsatz des Verfahrens im europäischen Modul der geplanten internationalen Raumstation zur Prozeßüberwachung bei Erstarrungsexperimenten vorzubereiten.

Kontaktadresse:
Prof. Dr. Wolfgang Grill
Institut für Experimentelle Physik II der Universität Leipzig
Linnéstraße 5, D-04103 Leipzig, Germany
Tel.: (+49) 341 / 97-32681 Fax: (+49) 341 / 97-32699
E-mail: grill@physik.uni-leipzig.de

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