Massiv-parallele und großskalige Phasenfeldsimulationen zur Untersuchung der Mikrostrukturentwicklung

Für maßgeschneiderte Bauteile mit definierten Eigenschaften ist ein detailliertes Verständnis der Mikrostrukturentwicklung notwendig.
Phasenfeldsimulationen erlauben es, gezielt den Einfluss von verschiedenen physikalischen Parametern sowie von Prozessparametern auf die Mikrostrukturentwicklung zu untersuchen.
Im ersten Teil wird die Mikrostrukturentwicklung bei der ternären eutektischen gerichteten Erstarrung untersucht.
Hierzu wird die hoch optimierte Umsetzung des Phasenfeldmodells auf Basis des Großkanonischen Potentialansatzes im massiv-parallelen waLBerla-Framework gezeigt.
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In Messungen wird damit auf einem Rechenkern eine Peak Performance von 27,1% sowie ein nahezu ideales Skalierungsverhalten mit bis zu 1048576 Prozessen erreicht.
Ausgehend von Simulationsstudien in 2D zu gekipptem Wachstum wird das in Experimenten vermutete und räumlich komplexe Wachstum von Spiralen in großskaligen 3D-Simulationen nachgewiesen.
Die Musterbildung vor und nach der Löslichkeitsänderung während der Erstarrung im System Al-Ag-Cu sowie der Einfluss von verschiedenen Geschwindigkeitswechseln auf die Musterbildung wird qualitativ wie auch quantitativ untersucht.
Hierbei wird eine gute Übereinstimmung mit Experimenten gefunden.
Im zweiten Teil wird die Mikrostrukturentwicklung unter dem Einfluss von Poren an Korngrenzen während des Endstadiums des Sinterprozesses analysiert.
Der Druck in den Poren wird hierzu über das ideale Gasgesetz im Phasenfeldmodell modelliert.
Zur Beschreibung der Poren-Poren-Interaktion wird im PACE-Löser ein effizienter und paralleler Algorithmus zur Beschreibung von Topologieänderungen auf Basis von Zusammenhangskomponenten umgesetzt.
Für die Untersuchung des Ablöseverhaltens der Poren von Korngrenzen werden idealisierte sowie realistische Mikrostrukturen mit analytischen Gleichungen verglichen.
Zudem wird eine Separationskarte abhängig von der durchschnittlichen Korngröße und dem Porenabstand erstellt.

For the development of applications with defined properties, a detailed understanding of the underlying microstructure evolution is needed.
Phase-field simulations specifically allow to investigate the effects of the various physical and process parameters on the microstructure evolution.
The first part investigates the microstructure evolution in ternary eutectic alloys during directional solidification.
Therefor, a highly optimized phase-field model, based on the Grand potential approach, is implemented in the massive parallel waLBerla-framework.
In measurements, a peak performance of 27,1% on a single core and a nearly ideal scaling behavior on up to 1048576 processes is reached.
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Based on 2D simulations of tilted growth, the experimentally assumed and spatial complex phenomena of spiral growth is shown in large-scale simulations.
In the system Al-Ag-Cu, the pattern formation before and after the solubility shift is studied and the influence of velocity variations on the microstructure evolution is investigated.
The arising patterns are quantitatively and qualitatively compared with different statistical methods, showing a good accordance between the simulations and the experiments.
In the second part, the microstructure evolution under the influence of pores at the grain boundaries in the finale sintering stage is analyzed.
Therefore, the phase-field model is extended by a pressure part based on the ideal gas law, to describe the pores.
To model the pore pore interaction, a efficient and parallel algorithm, based on a connected component algorithm, is implemented to manage the topology changes.
In the studies for the pore detachment behavior from grain boundaries, idealized and real microstructures are used and compared with analytic solutions.
Based on this, a separation map using the average grain size and the pore spacing is created.