Messung von Diffusionskoeffizienten in hochschmelzenden, metallischen Flüssigkeiten mit Scherzellentechnik8

Heuskin, David; Meyer, Andreas; Bührig-Polaczek, Andreas

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-004377

Messung von Diffusionskoeffizienten in hochschmelzenden, metallischen Flüssigkeiten mit Scherzellentechnik8 = Measurement of diffusion coefficients on refractory melts using shear-cell techniques

Heuskin, David

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Engineering David Heuskin aus Esch /s Alzette (Luxemburg)

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (132 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

RWTH Aachen, Diss., 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Meyer, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-004377
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/566348/files/566348.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/566348/files/566348.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; Diffusion (frei) ; Aluminium (frei) ; Nickel (frei) ; Kupfer (frei) ; Scherzelle (frei) ; Interdiffusion (frei) ; Selbstdiffusion (frei) ; Graphit (frei) ; Bornitrid (frei) ; Isothermalofen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Bestimmung von Inter- und Selbstdiffusionskoeffizienten an hochschmelzenden Probensystemen erfordert den Einsatz von neuartigen Tiegelmaterialien, Messaufbauten und -methoden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die Messungen die Scherzellenmethode mit einem Isothermalofen kombiniert, der ebenfalls für den Einsatz unter Schwerelosigkeit entwickelt wurde. Der von der Firma Astrium und der TU Freiberg aufgebaute Scherzellenofen wurde während dieser Arbeit hinsichtlich seiner Funktion und Temperaturverteilung hin charakterisiert und zur Messung von Diffusionskoeffizienten eingesetzt. Dazu sind einige Änderungen im Gesamtaufbau umgesetzt worden. Bei Kalibrierungsmessungen konnten Temperaturen von 1500°C innerhalb der Scherzelle sicher erreicht werden. Der isotherme Bereich entlang der Probe beträgt hierbei 90 mm, der Temperaturgradient entlang der Heizzonen maximal 2 K. Der eigentliche Ofen kann auf 1650°C erhitzt werden. Zur Kompensation der Wärmeverluste entlang der Scherzelle und vorbereitend zu den einzelnen Diffusionsversuchsreihen mit der Graphitscherzelle wurden für 5 Diffusionstemperaturen die optimalen Heizerstellparameter ermittelt mit denen ein isothermer Bereich (±1 K) entlang der Probenkapillare einstellt werden kann. Im Vergleich zu bereits existierenden Scherzellen zeichnet sich dieser Aufbau durch die hohe Anzahl an Messpunkten, die Länge und Anzahl der Proben sowie die extreme Temperaturstabilität des Experimentaufbaus aus. Durch den schwenkbaren Aufbau wird die Schmelzsäule entlang der Erdbeschleunigung ausgerichtet, wodurch die Bildung einer stabilen Dichteschichtung innerhalb der Schmelzsäule begünstigt wird. Das Aufschmelzen der Proben in horizontaler Lage vermeidet Segregationseffekte. Der isotherme Bereich minimiert konvektionsgetriebenen Materialtransport innerhalb der Schmelze. Vorgespannte Probenausgleichsbehältnisse sorgen für eine vollständige Füllung der Kapillaren und verhindern dadurch freie Oberflächen an den Kapillarwänden oder die Bildung von Blasen innerhalb der Schmelze. Die Scherprozesse zu Beginn und am Ende des Diffusionsprozesses ermöglichen eine genaue Bestimmung der Glühzeit und verhindern den Einfluss von Erstarrungsphänomenen auf das Konzentrationsprofil. In der vorliegenden Arbeit wurden Inter- und Selbstdiffusionskoeffizienten an AlCu-Legierungen gemessen. Hierzu wurden mehrere Scherzellenexperimente mit identischen Prozessbedingungen und verschiedenen Konzentrationsgradienten um die mittlere Konzentration Al$_{87,5}$Cu$_{12,5}$ in der Graphitscherzelle durchgeführt. Zur Auswertung wurden die CT-Analyse und die Bestimmung der Konzentrationsanteile mit AAS angewendet. Die Untersuchung mit unterschiedlichen Messmethoden verringert den Fehleranteil. Die ermittelten Interdiffusionskoeffizienten zeigen eine Abweichung von zuvor veröffentlichten Werten. Die Auswertung der Konzentrationsprofile wurde mit Röntgentomographie und chemischer AAS Analyse durchgeführt. Die ermittelten Selbst- und Interdiffusionskoeffizienten stimmen im Bereich des angenommenen Messfehlers von 10% überein. Die geringe Abweichung der Messergebnisse bei der Anwendung von zwei unterschiedlichen Messverfahren über eine hohe Anzahl an Experimenten hinweg zeigt die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit der hier angewendeten Scherzellenmethode. Im Rahmen einer zeitlich parallelen verlaufenden Dissertation am Institut für Materialphysik im Weltraum wurden Scherzellenexperimente zur Messung der Interdiffusion an dem System AgCu und der ternären AlCuAg Legierung durchgeführt. Durch den großen isothermen Bereich und die gesteigerte Anzahl an auswertbaren Probensegmenten stellt die in dieser Arbeit vorgestellte Scherzellenmethode eine geeignete Messmethode für Probensysteme mit geringem Röntgenkontrast dar. Die gegenseitige Beeinflussung der Legierungskomponenten untereinander sowie die richtige Wahl der Auswertemethoden erschwerten bisher die Gewinnung exakter Messergebnisse an ternären Probensystemen. Zur Vervollständigung und Überprüfung der gewonnenen Ergebnisse wurden vier Scherzellenmessungen um den Bereich des AlCuAg-Eutektikums durchgeführt. Trotz der fehlenden Prozessbeobachtung zeigt sich, dass die Scherzelle in Verbindung mit einem Isothermalofen reproduzierbare Ergebnisse an ternären Legierungen liefert, die zudem, im Rahmen des Mess- und Auswertefehlers, mit den Ergebnissen aus Neutronenradiographie übereinstimmen. Neben Messungen an den beschriebenen Systemen AlCu, AgCu und AlCuAg wurden im Rahmen dieser Arbeit Scherzellenexperimente zur Bestimmung von Interdiffusionskoeffizienten an unterschiedlichen AlNi-Systemen durchgeführt. Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der chemischen Verträglichkeit zwischen potentiellen Tiegelmaterialien zur Herstellung einer Hochtemperaturscherzelle und hochschmelzenden AlNi-Schmelzen. Die Untersuchungen mündeten in der Herstellung einer Scherzelle aus BN mit 35% ZrO$_2$ welche die Eigenschaften der Graphitzelle mit der chemischen Beständigkeit des BN verbindet. Die ersten Scherzellenexperiment umfassen Messungen um die Legierung Al$_{71,02}$Ni$_{28,98}$. In einem weiteren Experiment wurden zusätzlich Messungen zur Ermittlung des Interdiffusionskoeffizienten an Al$_{25}$Ni$_{75}$ durchgeführt. Mit dieser Bornitridzelle war es zum ersten Mal möglich, Interdiffusions-Scherzellenexperimente an hochschmelzenden AlNi-Legierungen bei Prozesstemperaturen oberhalb 1400°C durchzuführen.

The determination of inter- and self-diffusion coefficients of refractory sample systems requires the usage of a new type of crucible materials, measuring installations and -methods. For the measurements within the scope of this work, the shear-cell method was combined with an isothermal furnace, which was also developed for the use in weightlessness. The shear-cell furnace built by the company Astrium (Airbus) and the Technical University of Freiberg was used in order to establish its characteristics regarding function and temperature distribution as well as for the measurement of the diffusion coefficient. In order to achieve this, a series of changes regarding its overall structure had to be implemented. During the calibration measurements, temperatures of 1500°C within the shear-cell could repeatedly be achieved. The isothermal area along the sample was of 90 mm; the temperature gradient along the heating zone was a maximum of 2 K. The furnace itself can be heated up to temperatures of 1650°C. The heating parameters for 5 different diffusion temperatures were determined in order to guarantee an isothermal area of ±1K along the capillaries. This was necessary in order to compensate heat loss along the shear cell and in preparation for each diffusion test series with the graphite shear cell. This experiment differs from other already existing shear-cells due to the high amount of measuring points, the length and the amount of samples as well as the extreme temperature stability of the experiment buildup. Because the construction can be tilted, the melting column can be aligned with gravitational acceleration, which favours the creation of a stable density layer within the melting pillar. The fusing of the samples in a horizontal position avoids segregation effects. The isothermal area minimizes the transport of material within the melt due to convection. Pre-stressed repositories are balancing volume expansion or shrinkage of the samples. This ensures a complete filling of the capillaries and prevents free surfaces on the capillary walls or the formation of bubbles within the melt. The shear processes at the beginning and at the end of the diffusion process allow a precise determination of the soak time and prevent the influence of solidification phenomena on the concentration profile. In this work, the inter-diffusion and self-diffusion coefficients were measured on Al-Cu. To achieve this, several shear cell experiments were conducted under identical process conditions and with varying concentration gradients around the average concentration of Al$_{87,5}$Cu$_{12,5}$ in the graphite shear-cell. CT analysis and the determination of concentration profiles with AAS were used for the evaluation of the results. The analysis with different measurement techniques reduces the amount of errors. The newly determined inter-diffusion coefficients differ from previously published results. The analysis of the concentration profiles were performed with x-ray tomography and chemical AAS analysis. The calculated self-diffusion and inter-diffusion coefficients match the assumed 10% measurement error. The minor deviations of the measured results when using two different measuring processes over a high amount of experiments prove the reliability and the precision of the shear cell method that was used in this work. In the context of another dissertation at the Institute of Materials Physics in Space, shear- cell experiments to measure the inter-diffusion on the system AgCu and the ternary AlCuAg alloy were carried out parallel to this work. Because of the high isothermal area and the increased amount of sample segments that could be analysed, the shear cell method presented in this work represents an adequate measurement method for sample systems with limited x-ray contrast. To date, the mutual influence of the alloying components as well as the correct choice of evaluation methods render the collection of precise measurement results on ternary sample systems rather difficult. Four shear-cell measurements around the area of the AlCuAg-eutectic were carried out to complete and verify the results obtained. Despite the lack of process observations, it is clear that the shear-cell, in combination with an isothermal furnace, provides reproducible results on ternary alloys, which also correlate with the results of neutron radiography, within the limit of tolerance regarding measurement and analysis/evaluation errors. Alongside the measurements described on the Al-Cu, Ag-Cu and AlCuAg systems, shear-cell experiments to determine the inter-diffusion coefficient on varying Al-Ni systems were also carried within the scope of this work. Part of this work focuses on the analyses of chemical compatibility between potential crucible materials for the production of a high temperature shear cell and high-melting Al-Ni melts. The analyses resulted in the production of a shear-cell made of BN, with 35% ZrO$_2$, which combines the characteristics of the graphite cell with the chemical stability of BN. The first shear cell experiments include measurements around Al$_{71,02}$Ni$_{28,98}$. In an additional experiment, measurements to determine the inter-diffusion coefficient were also carried out on Al$_{25}$Ni$_{75}$. With this boron nitride cell, it was possible for the very first time to perform inter-diffusion shear cell experiments on high-melting Al-Ni at process temperatures above 1400°C for the very first time.

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