Simulation der bei der gerichteten Erstarrung ternärer Eutektika entstehenden Mikrostruktur mit der Phasenfeldmethode

Während der gerichteten Erstarrung ternärer eutektischer Legierungen bilden sich aus der Schmelze drei Festphasen. Dabei entwickelt sich, abhängig von den Prozessbedingungen, eine
Vielzahl von Mustern in der Mikrostruktur. Aufgrund der daraus resultierenden unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften ist ein Verständnis der grundlegenden Mechanismen, welche
die Mikrostrukturentwicklung in multikomponentigen und -phasigen Systemen steuern, von großer Bedeutung.
Um ein besseres Verständnis der Mikrostrukturentwicklungsmechanismen zu erlangen, wurden im Rahmen dieser Thesis großskalige Phasenfeldsimulationen auf bis zu 171 696 Prozessoren
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(CPUs) durchgeführt. Ausgehend von der Validierung des Modells mit analytischen Ansätzen für ein ideales ternäres eutektisches System und von Untersuchungen zur Bestimmung der notwendigen Gebietsgrößen, wird der Einfluss verschiedener Gleichgewichtskonzentrationen und Grenzflächenenergien auf die entstehenden Muster analysiert.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird die gerichtete Erstarrung von Aluminium-Kupfer-Silber (Al-Ag-Cu) untersucht, bei der eine gute qualitative und quantitative Übereinstimmung mit experimentellen Schliffbildern erzielt wird. Das System Al-Ag-Cu wird wegen seiner relativ niedrigen ternären eutektischen Temperatur und den annähernd gleichen Phasenanteilen in Schnittbildern bei Raumtemperatur häufig zur experimentellen Untersuchung der Musterbildung während der gerichteten Erstarrung verwendet. Bei der Verwendung von großskaligen Phasenfeldsimulationen zeigt sich, dass die verschiedenen lokalen Muster aus einem Optimierungsprozess der Unterkühlung und der Phasenanordnung in der unmittelbaren Nachbarschaft entstehen. Weiterhin wurden Phasenfeldsimulationen mit systematisch variierten Zusammensetzungen der Schmelze in der Nähe der Konzentration des ternären eutektischen Punktes durchgeführt. Aufgrund der gleichen Tendenzen in der entstehenden Mikrostruktur und den auftretenden Phasenfraktionen, wie in einem experimentellen Schliffbild, werden Erklärungsansätze für die unterschiedlichen entstehenden Muster hergeleitet.

During the directional solidification of ternary eutectic alloys, three solid phases evolve from the melt. In this process, a large variety of patterns is forming in the microstructure, depending on the process conditions. Due to the resulting different mechanical properties is the understanding of the fundamental mechanisms controlling the morphology development in multi-phase and -component systems of high interest.
To gain a better understanding of microstructure evolution processes, large-scale phase-field simulations with up to 171 696 Central Processor Units (CPUs) were conducted as part of this thesis. ... mehrBased on a validation of the model with analytic approaches for an ideal ternary eutectic system and studies to determine the necessary domain size, the influence of different equilibrium concentrations and interface energies on the evolving patterns is analyzed.
These results were used to study the directional solidification of Aluminium-Copper-Silver (Al-Ag-Cu) in which a good qualitative and quantitative accordance with experimental micrographs is found. The system Al-Ag-Cu is often used in experiments to study the pattern formation during directional solidification, because of the relative low ternary eutectic temperature and the nearly equal phase fractions in cross sections at room temperature. It is shown, that the local patterns in large-scale simulations result from an optimization process of the undercooling and the phase arrangement in the vicinity of the considered domain. Additionally, phase-field simulations with systematically varied compositions of the melt, in the vicinity of the concentration of the ternary eutectic point, were conducted. Due to the same tendencies in the microstructure and the phase fractions like in an experimental micrograph, explanation
approaches for the different arising patterns are derived.