Modellierung mehrkomponentiger Materialsysteme für die Phasenfeldmethode und Analyse der simulierten Mikrostrukturen

Der Erstarrungsprozess mehrkomponentiger Materialsysteme ist sowohl von großer wissenschaftlicher als auch von industrieller Bedeutung. Insbesondere die gerichtete Erstarrung mehrkomponentiger Hochtemperaturwerkstoffe ist für industrielle Anwendungen in Motoren oder Turbinen von besonderem Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Erstarrungsprozess verschiedener mehrkomponentiger Hochtemperaturwerkstoffe mit der Phasenfeldmethode
untersucht. Hierfür wird zunächst eine Methodik für die Verwendung thermodynamischer Datensätze in Phasenfeldsimulationen entwickelt und vorgestellt. ... mehrMit Hilfe dieser Methodik werden thermodynamisch konsistente Modelle der Hochtemperaturwerkstoffe NiAl-34Cr und Nb-Si generiert und mittels Phasenfeldsimulationen validiert. Anschließend werden für beide Systeme zwei- und dreidimensionale Phasenfeldsimulationen zur Untersuchung der
zweiphasigen eutektischen Mikrostrukturentwicklung durchgeführt. Ziel dieser Studien ist die Identifikation von Schlüsselparametern für die Entwicklung der sich einstellenden Mikrostruktur während der gerichteten Erstarrung sowohl in geordneten eutektischen Strukturen als auch in Strukturen eutektischer Kolonien. Für die Untersuchung des Einflusses dieser Schlüsselparameter werden sowohl qualitative als auch quantitative Analysemethoden zur Untersuchung der Mikrostrukturen eingesetzt. Die vorliegende Arbeit umfasst eine vollständige Untersuchungskette
von der Modellierung der Materialsysteme über die Durchführung repräsentativer Phasenfeldsimulationen bis hin zur Analyse der sich entwickelnden Mikrostrukturen.

The solidification process of multicomponent alloys is of high scientific and economic relevance. Especially the directional solidification of high-temperature materials is interesting for the industrial application in engines or turbines. In this work, the solidification process of different high-temperature materials is investigated with the phase-field method. For this propose, a methodology for the utilization of thermodynamic databases during phase-field simulations is developed and presented. By using this method, thermodynamically consistent models of the
high-temperature materials NiAl-34Cr and Nb-Si are generated and subsequently validated by phase-field simulations. ... mehrAfterwards, two- and three-dimensional phase-field simulations are conducted for both systems to investigate the evolving two-phase microstructures. The aim of this studies is to identify key parameters for the development of the adjusting microstructures during the directional solidification of ordered eutectic structures as well as of eutectic colonies. To investigate the influences of the different key parameters, qualitative as well as quantitative methods are used to analyze the evolving microstructures. This work includes an entire investigation chain from the modeling of the material systems to the conduction of representative phase-field simulations, and finally to the analyzation of the resulting microstructures.