Mehrskalige thermomechanische Simulation der fest-flüssig Interaktionen bei der Erstarrung

Kontakt

Name

Gottfried Laschet

Leitung

Telefon

work
+49 241 80 98025

E-Mail

E-Mail

Kontakt

Name

Markus Apel

Leitung

Telefon

work
+49 241 80 98009

E-Mail

E-Mail
 

Dieses Teilprojekt adressiert präzisionslimitierende Eigenschaften teilerstarrter metallischer Schmelzen, die durch die Mikrostruktur im fest/flüssig Mehrphasenzustand definiert werden. Eine leichte Verformbarkeit und die deutlichen und sprunghaften Änderungen vieler thermophysikalischer und –mechanischer Eigenschaften während des Phasenübergangs sind in der Prozessauslegung hinsichtlich Maßhaltigkeit und Defektbildung zu berücksichtigen. Dies zeigt sich z.B. beim Gießen dünnwandiger Bauteile, wo die Nachspeisung durch die Permeabilitätseigenschaften der zumeist dendritischen Erstarrungsmorphologie bestimmt wird. Reduzierte Nachspeisung führt zu einer Vielzahl von Gießfehlern, wie z.B. zu Makrolunkern oder zum Bildung von Warmrissen. Für den durch Restspannungen verursachten Verzug geometrisch komplexer Bauteile spielen sowohl die Volumenänderungen bei der Phasenumwandlung als Quelle mechanischer Spannungen, als auch die mechanischen Werkstoffkennwerte des erstarrten Zustandes für die resultierenden Spannungsfelder ein Rolle. Die Güte der Bauteiloberflächen in Bezug auf Rauigkeit oder Defekte wie Oberflächenporen wird durch die rheologischen Eigenschaften im teilkristallinen Zustand bestimmt.

Ziel dieses Teilprojekts ist es, durch einen Mehrskalenansatz thermomechanische Eigenschaften wie z.B. Wärmeausdehnung, Permeabilität oder Fließkurven im teilerstarrten und im anschließenden festen Zustand während der Abkühlung zu berechnen, um so auf dem Gefüge basierende lokale Variationen dieser Eigenschaften in Simulationen auf Bauteilebene berücksichtigen zu können. Der Präzisionsgewinn in der Vorhersage von Verzug und Restspannungen wird quantifiziert und mit experimentellen Ergebnissen aus TP B8 und Vorhersagen basierend auf konventionellen Werkstoffgesetzen verglichen. Aus einer thermischen Makrosimulation des Gießprozesses werden die lokalen Abkühlbedingungen herausgefiltert und in die Mikroskala überführt. Auf der Mikroskala wird die zugehörige Erstarrungsmorphologie, ortsaufgelöst mit Hilfe eines Phasenfeldmodells [STE06] für mehrkomponentige metallische Legierungen simuliert. Im Phasenfeldmodell werden insbesondere die thermischen und metallurgischen Wechselwirkungen zwischen Festkörperskelett und Schmelze berücksichtigt. Aufbauend auf den so berechneten Gefügen werden mittels der Homogenisierungsmethode [LAS10] effektive anisotrope Eigenschaften abgeleitet. Um für einzelne thermophysikalische Eigenschaften (Permeabilität, Wärmeleitfähigkeit, …) Werkstoffgesetze zu formulieren, die auf Mikrostruktureigenschaften des teilerstarrten Zustandes basieren, wird die Morphologie der berechneten Gefüge durch geeignete Größen (z.B. Phasenanteile, primärer- und sekundärer Dendritenarmabstand, Größe und Orientierung einzelner Körner) quantifiziert. Da eine 3D-Mikrostruktursimulation für jeden Knoten eines makroskopischen FE-Bauteilmodells wegen des notwendigen Rechenaufwands nicht möglich ist, werden die für ausgewählte Bereiche ermittelten effektiven Eigenschaften sowie die zugehörigen Mikrostrukturparameter an den in TP B9 entwickelten Interpolationsalgorithmus übergeben. Dieses Programm führt in jedem Diskretisierungspunkt des Bauteils eine Interpolation der ihm übermittelten effektiven Eigenschaften durch. Diese lokal ermittelten Größen fließen dann in ein erweitertes Zweiphasenmodell des kohärenten fest-flüssig Bereichs auf der Makroskala ein. Mittels der entwickelten thermomechanischen Mehrskalensimulation soll dann beim Kokillenguss eines Aluminium Bauteils, der Verzug sowie die Spannungsentwicklung während der Erstarrung und Abkühlung des Bauteils lokal, präzise vorhergesagt werden.

Dieses grundlagenorientierte Simulationsprojekt trägt zu einem verbesserten Verständnis und zur Analyse der komplexen metallurgischen und thermomechanischen Wechselwirkungen zwischen Schmelze und Festkörperskelett während der Erstarrung bei. Die Kontrolle insbesondere der geometrischen Präzision erfordert die Beherrschung der Variation der Werkstoffeigenschaften im fest-flüssig Bereich. Die mittels des Mehrskalenmodells gewonnenen, grundlegenden Erkenntnisse über die fest-flüssig Interaktionen beim Al-Kokillenguss werden im Verlauf dieses SFBs auf andere schmelzbehaftete Prozesse wie Löten, MSG-Schweißen und Laserschweißen übertragen.

 

Mikrostruktur einer erstarrenden Aluminium-Legierung (A356)

Mikrostruktur einer erstarrenden Aluminium-Legierung (A356), resultierend aus einer Phasenfeld-simulation. Ausgehend von der Schmelze (transparent) kommt es zunächst zu primärer Erstarrung von Aluminium (hellgrau), danach zu eutektischer Erstarrung von Silizium (dunkelgrau) zusammen mit Aluminium. Der Simulationsbereich hat eine Kantenlänge von 150 mm. Die gezeigte Erstarrung dauert in der Simulation 5,5 s (im Video verlangsamt um einen Faktor 3) bei einer Wärmeentzugsrate von 240 W/cm3.

 
B7 Video 1
 
 

Animierte Darstellung der Schmelzeströmung in einem dendritischen Gefüge bei senkrechtem Druckgradienten

Animierte Darstellung der Schmelzeströmung in einem dendritischen Gefüge bei senkrechtem Druckgradienten. Das Gefüge wurde aus einer Phasenfeld-simulation der Erstarrung einer Aluminiumlegierung (A356) gewonnen. Die Strömung resultiert aus einer CFD Simulation, die für verschiedene Zeitpunkte im Verlauf der Erstarrung durchgeführt wird, um die Durchlässigkeit (Permeabilität) des Gefüges für Schmelze zu bestimmen. Gezeigt ist die Strömung bei ca. 50% Festphasenanteil.

 
B7 Video 2