Bei der eutektischen Erstarrung fügt sich eine Mischung aus zwei oder mehr Feststoffen selbst zusammen und bildet zusammengesetzte Mikrostrukturen, die von geordneten Schichten bis zu komplexen labyrinthartigen Mustern reichen, denen Eigenschaften wie Zugfestigkeit oder Duktilität zugrunde liegen.
Bislang war es den Forschern nicht klar, unter welchen Bedingungen Eutektika bestimmte Muster bilden. Dies ist jedoch für die Entwicklung reproduzierbarer eutektischer Verbundwerkstoffe der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung.
Die Echtzeit-Erstarrungsaufzeichnung einer eutektischen Aluminium-Nickel-Legierung (Al-Al3Ni) in Nanometerauflösung ergab, dass sich die Mikrostruktur mit zunehmender Erstarrungsgeschwindigkeit von unregelmäßig und facettiert zu regelmäßig und abgerundet verschiebt, so eine Studie unter der Leitung von Forschern der University of Michigan veröffentlichte kürzlich Materielle Akten.
Die Nutzung dieser neuen Erkenntnisse zur eutektischen Bildung wird dazu beitragen, die Mikrostruktur für die Materialklasse zu optimieren, die in Hochtemperaturkomponenten in Turbinen oder Reaktoren verwendet wird.
„Ich war schon immer von den Mustern in der Natur fasziniert – wie zum Beispiel von Schneeflocken, von denen keine zwei jemals identisch sind.
„Diese Faszination darüber, wie solch scheinbar einfache Prozesse unendlich reiche, komplexe und einzigartige Strukturen hervorbringen können, treibt mich an, die zugrunde liegenden Prinzipien zu erforschen“, sagte Ashwin Shahani, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie Chemieingenieurwesen an der UM und leitender Autor der Studie.
„In der Materialwissenschaft stellt sich die gleiche Frage: Wie führen kleine Änderungen der Bedingungen zu dramatisch unterschiedlichen Mikrostrukturen?“
Eine 3D-Rekonstruktion eines Al3Ni-Kristalls, der sich bei zunehmender Geschwindigkeit bei gerichteter Erstarrung spaltet. Bildnachweis: Shahani Laboratory.
Um besser zu verstehen, wie eutektische Mikrostrukturen entstehen, entwickelte das Forschungsteam an der Synchrotron-Strahllinie einen neuen In-situ-Ofen für die gerichtete Erstarrung – eine Technik, bei der das Kristallwachstum von der flüssigen zur festen Phase in eine bestimmte Richtung gelenkt wird. Das Gerät ermöglicht eine präzise Kontrolle des Erstarrungsvorgangs und damit eine detaillierte Untersuchung der Musterbildung während der eutektischen Erstarrung.
Um die Beobachtungen auf Nanoebene mit Phänomenen auf Mikroebene zu korrelieren, kombinierten die Forscher zwei Visualisierungstechniken. Die optische Mikroskopie erfasste die Verfestigung über große Raum- und Zeitskalen, während die Synchrotron-Transmissionsröntgenmikroskopie Einblicke auf Nanoebene lieferte. Letztere wurde an der Vollfeld-Röntgenbildgebungsstrahllinie 18-ID der National Synchrotron Light Source II des Brookhaven National Laboratory durchgeführt.
Damit beobachteten sie direkt die Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit, den Aluminium- (Al) und Nickelaluminid-Kristallen (Al3Ni) während der Verfestigung unter verschiedenen Bedingungen. Die Wachstumsrate von Al3Ni im Vergleich zu Al – der sogenannte Kopplungsgrad – bestimmte die Form der zurückbleibenden festen Mikrostrukturen.
Beispielsweise wachsen beim Erstarren bei niedrigeren Geschwindigkeiten die vorderen Spitzen des Al3Ni schneller als die des Al, was zu unregelmäßigem, facettiertem Wachstum führt. Bei hohen Erstarrungsgeschwindigkeiten wachsen Al3Ni und Al mit der gleichen Geschwindigkeit, was zu abgerundetem, regelmäßigem Wachstum führt.
Dieses Video zeigt zwei eutektische Feststoffe (dunkel und hell), die von unten nach oben wachsen und dabei die Flüssigkeit verbrauchen (mittlerer Kontrast). Die Videowiedergabegeschwindigkeit ist fast doppelt so schnell wie die Aufnahmegeschwindigkeit. Bildnachweis: Shahani Laboratory.
Bei einem Gussstück hängt die Erstarrungsgeschwindigkeit von mehreren Faktoren ab, unter anderem von der Wärmeleitfähigkeit der Schmelze und der Wärmeentzugsrate.
„Unsere einzigartigen Experimente und Echtzeitbeobachtungen helfen, die große Vielfalt der Muster zu erklären, die bei der Verfestigung von Eutektika mit steifen, intermetallischen Phasen entstehen. Diese Erkenntnisse sind für die Information und Validierung von Simulationen der Materialsynthese von wesentlicher Bedeutung“, sagte Paul Chao, ein Doktorand der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der UM, der im Jahr 2022 ein ganzes Jahr als Gastforscher an der Synchrotron-Strahllinie verbrachte und Erstautor der Studie ist.
„Unsere Experimente sind ein Beispiel dafür, wie wichtig eine hervorragende Betreuung durch die University of Michigan, eine Partnerschaft mit dem Brookhaven National Laboratory und internationale Zusammenarbeit für Spitzenforschung sind, die grundlegende wissenschaftliche Rätsel lösen kann.“
Diese Erkenntnis ist für ein breites Spektrum eutektischer Systeme, darunter metallische, halbmetallische und organische Systeme, von großer Bedeutung.
„Die Manipulation dieser Muster ist mehr als nur eine technische Angelegenheit – es ist eine Möglichkeit, fundamentale Prinzipien zu entschlüsseln und sie auf sinnvolle Weise anzuwenden, von der Verbesserung der Materialfestigkeit bis hin zu bahnbrechenden neuen Ansätzen im Materialdesign“, sagte Shahani.
Weitere Informationen:
Paul Chao et al, Vom unregelmäßigen zum regelmäßigen eutektischen Wachstum im Al-Al3Ni-System: In-situ-Beobachtungen während der gerichteten Erstarrung, Materielle Akten (2024). DOI: 10.1016/j.actamat.2024.120314. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2408.14346