Liquid metal route for creation of metal matrix composites (MMCs)

In der vorliegenden Arbeit wird die Möglichkeit der kontaktlosen Erzeugung von Kavitation in Metallen und Legierungen mit hohem Schmelzpunkt wie Eisen, Stahl und Nickel untersucht. Bei diesem Verfahren wird ein konstantes Magnetfeld mit einem magnetischen Wechselfeld überlagert, wodurch Druckoszillationen in der Schmelze entstehen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht der Einfluss dieser Druckoszillationen auf die Bildung und Stabilität von Mikropartikel-Dispersionen in metallischen Werkstoffen. Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (engl. metall matrix composite, MMC) sind vielversprechende Materialien, deren Eigenschaften für den jeweiligen Anwendungszweck maßgeschneidert werden können. ... mehrBisher ist die Herstellung solcher Verbundwerkstoffe aufgrund des hohen Schmelzpunkts des Matrixmetalls auf pulvermetallurgische Fertigungsrouten beschränkt. Diese sind zum einen kostenintensiv, und zum anderen mit zusätzlichen Einschränkungen hinsichtlich der Form und der Größe der herstellbaren Werkstücke verbunden. Um neuartige Konstruktionswerkstoffe wie oxid-dispersionsverfestigte (engl. Oxide dispersion strengthend, ODS) oder hochelastische Stähle (engl. high modulus steel, HMS) erfolgreich auf den Markt zu bringen, müssen schmelzmetallurgische Prozesse entwickelt werden. Die Hauptschwierigkeit der schmelzmetallurgischen Fertigungsrouten liegt hierbei in der Agglomeration der mikroskopisch kleinen Partikel im erstarrten Werkstoffgefüge. Mit Ultraschall erzeugte Kavitation in der Schmelze kann Partikel-Agglomerationen verhindern bzw. bestehende Agglomerate aufbrechen. Allerdings ist die Verwendung herkömmlicher Ultraschall-Wandler in hochreaktiven und -korrosiven Hochtemperaturschmelzen praktisch nicht möglich. Daher besteht ein großes Interesse an der Entwicklung eines kontaktlosen Verfahrens zur berührungslosen Kavitation in partikelbeladenen Metallschmelzen.

In der vorliegenden Arbeit werden zunächst die zugrundeliegende Theorie und das Prinzip des Verfahrens erörtert. Anschließend werden praktische Fragestellungen bezüglich der Agglomeration von Partikeln, einschließlich des Einbringens und Dispergierens in der Metallschmelze, untersucht. Insitu-Untersuchungen mittels Neutronen-Radiographie geben hierbei einen visuellen Einblick und folglich ein besseres Verständnis für das Partikelverhalten in einer Metallschmelze. Es werden systematische Experimente zur berührungslosen Kavitation mit dem vorgeschlagenen Versuchsaufbau durchgeführt. Die interessierenden Kavitationseffekte werden in verschiedenen Metallschmelzen, u.a. Zinn, Aluminium und Stahl, beobachtet, und mittels Auswertung der akustischen Signale, welche die kollabierenden Blasen aussenden, eindeutig nachgewiesen. Ferner werden, unter Variation der eingesetzten Magnetfelder, Experimente zum Dispergieren von verschiedenen keramischen Partikeln in Metallschmelzen durchgeführt. Um eine hohe magnetische Flussdichte von bis zu 8 T zu erreichen, werden auch supraleitende Magnete eingesetzt. Die in den Kavitations-Experimenten hergestellten Proben werden metallographisch präpariert und analysiert. Für wachsende Amplituden der kontaktlos erzeugten Druckoszillationen zeigt sich eine klare Tendenz zur verbesserten Dispergierbarkeit der keramischen Partikel in der Metallschmelze.

This work investigates the feasibility of a contactless sonication of high melting point melts, such as steel, iron and nickel, using superposition of alternating and steady magnetic fields, focusing on the viability of micro-particle dispersion in these metals. Metal matrix composites (MMCs) are highly prospective materials as their properties can be tailored for specific purposes. Currently production of high melting point composites is limited to solid state routes which are costly with additional limitations of the producible shapes and sizes. To bring new structural materials, such as oxide dispersed strengthened (ODS) steels or high modulus steels (HMS), into the market, liquid state processing must be developed. ... mehrThe main difficulty of the liquid route is particle agglomeration which can be prevented using ultrasonic cavitation. However, the conventional way of using ultrasonic transducer is impractical due to the extreme and reactive environment in the case of high melting point metals. Therefore, it is of high interest to develop a contactless cavitation treatment.

In this work a theoretical argument for the contactless cavitation generation is presented. Furthermore, practical problems regarding particle agglomeration, admixing as well as dispersion are investigated in-situ using neutron radiography giving a better understanding of the particle behaviour in a liquid metal. Then, using the proposed contactless cavitation set-up, cavitation onset is clearly observed in different melts, including tin, aluminium, steel and others, by recording and analysing the signal emitted by the collapsing bubbles. Experiments to disperse various ceramic reinforcements in high melting point metals are conducted in different magnetic fields, employing also a superconducting magnet to reach 8 T. The produced samples are prepared and analysed, and a clear tendency of particle dispersion improvement due to the applied contactless cavitation is shown.