Solidification and Gravity VII

International audienc

Synchrotron radiography studies of shear-induced dilation in semi-solid Al alloys and steels

An improved understanding of the response of solidifying microstructures to load is required to further minimize casting defects and optimize casting processes. This article overviews synchrotron radiography studies that directly measure the micromechanics of semisolid alloy deformation in a thin sample direct-shear cell. It is shown that shear-induced dilation (also known as Reynolds’ dilatancy) occurs in semisolid alloys with morphologies ranging from equiaxed-dendritic to globular, at solid fractions from the dendrite coherency point to ~90% solid, and it occurs in both Al alloys and carbon steels. Discrete-element method simulations that treat solidifying microstructures as granular materials are then used to explore the origins of dilatancy in semisolid alloys

A mathematical model of dendritic microstructures in nickel-based superalloys

Imperial Users onl

Materials Research in Microgravity 2012

Reducing gravitational effects such as thermal and solutal buoyancy enables investigation of a large range of different phenomena in materials science. The Symposium on Materials Research in Microgravity involved 6 sessions composed of 39 presentations and 14 posters with contributions from more than 14 countries. The sessions concentrated on four different categories of topics related to ongoing reduced-gravity research. Highlights from this symposium will be featured in the September 2012 issue of JOM. The TMS Materials Processing and Manufacturing Division, Process Technology and Modeling Committee and Solidification Committee sponsored the symposium

Phase-field modeling of unidirectionally solidified microstructures under diffusive-convective regime

Moderne Werkstoffe zeichnen sich oft durch ein breites Spektrum an maßgeschneiderten mechanischen, magnetischen, elektronischen oder thermophysikalischen Eigenschaften aus. In Verbindung mit der ihnen zugrundeliegenden Mikrostruktur kann das Verhalten der meisten technischen Werkstoffe durch genaue Modellierung der neuartigen Eigenschaften mit maßgeschneiderten Morphologien vorhergesagt werden. Im Allgemeinen wird die Bildung von Erstarrungsmikrostrukturen durch das Wechselspiel zwischen Kapillarität und Diffusion bestimmt. Das Vorhandensein von Schmelzekonvektion spielt eine bedeutende Rolle für die endgültigen Gefügeeigenschaften von Gusslegierungen und wird aufgrund seiner Komplexität oft vernachlässigt. Da die Kontrolle der Mikrostruktur für jede Verarbeitungsaktivität von wesentlicher Bedeutung ist, wird in dieser Dissertation ein Phasenfeldmodell mit Flüssigphasenkonvektion verwendet, in dem die Wechselwirkung von diffusiv-konvektiven Feldern und deren Auswirkung auf die Gefügeentwicklung untersucht wird. Im folgenden Teil werden die numerischen Ergebnisse unter einem diffusionskonvektiven Regime von den Korngrenzen bis zu den Säulendendriten diskutiert. Zunächst wird ein Phasenfeldmodell verwendet, um das Phänomen des Korngrenzenrillens unter Gleichgewichtsbedingungen zu untersuchen. Das Modell wird validiert, indem die Rillenkinetik mit der volumendiffusionsgesteuerten Rillentheorie verglichen wird. In Form der Schmelzkonvektion wird erstmals die Rolle eines zusätzlichen konvektiven Transportmechanismus auf Korngrenzenrillen eingehend untersucht. Die simulierten Rillen zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit früheren experimentellen Theorien sowie mit der Theorie der scharfen Grenzflächen. Daneben wird auch die Wanderung der Fest-Fest-Korngrenze erfasst, wobei das Auftreten asymmetrischer Grate die seitliche Drift der Rillenwurzel entlang der stromabwärtigen Richtung fördert. Darüber hinaus wird die Initiierung von Mikrostrukturmustern für energetisch isotrope Grenzflächen vorgestellt, wobei die Vorhersage der Spitzenaufteilungsposition anhand eines analytischen Kriteriums diskutiert wird. Infolge von krümmungsgetriebenen Flüssen wird die fundamentale und sich wiederholende Einheit von Mikrostrukturen mit Spitzenspaltung durch einen direkten Vergleich zwischen dem Phasenfeld und der Position der scharfen Grenzflächenspitze analysiert. Im Gegensatz zu den vorhandenen Studien sagt das vorgeschlagene Kriterium die Verzweigungsposition in einem erstarrenden Muster erfolgreich voraus. Anschließend wird der Einfluss anderer Parameter wie der Grenzflächenanisotropie, der Schmelzkonvektion und der Oberflächenenergien auf den strukturellen Übergang von Mikrostrukturen mit Spitzenspaltung ermittelt. Während für ein isotropes Kristallwachstum eine Morphologie der Spitzenaufspaltung beobachtet wird, wird für anisotrope Grenzflächen das Auftreten von richtungsabhängigen säulenförmigen Dendriten demonstriert. Anschließend wird die Vorhersage des interdendritischen Armabstands bei vorhandener Schmelzkonvektion untersucht. In Übereinstimmung mit früheren experimentellen Studien wird gezeigt, dass der Selektionsmechanismus von Primärarmen durch das Eintauchen von Dendriten in das Diffusionsregime zum Überwachsen von Tertiärarmen im Diffusionskonvektionsregime führt. Darüber hinaus zeigt sich, dass die Vorhersage des primä}ren Dendritenarmabstands aufgrund des Vorhandenseins eines konvektiven Transports im interdendritischen Bereich modifiziert ist. Danach werden Phasenfeldsimulationen durchgeführt, um die Wachstumskonkurrenz von Säulendendriten vorherzusagen, die an der Korngrenze konvergieren. Während der Herstellung von Einkristall-Turbinenschaufeln häufig untersucht, wird das Überwuchsverhalten von falsch ausgerichteten Dendriten an der Korngrenze erfasst und analysiert. Zum ersten Mal wird gezeigt, dass das Vorhandensein eines zusätzlichen Massentransports in der flüssigen Massenphase die gelösten dendritischen Spitzen fördert, was wiederum denÜberwuchsmechanismus an der Korngrenze modifiziert. Durch mikrostrukturelle Auswahlkarten wird auch gezeigt, dass Parameter wie der Fehlorientierungswinkel und die Grenzflächenanisotropie dieÜberwuchsdynamik an der Korngrenze weitgehend steuern

Overview of In Situ X-ray Studies of Light Alloy Solidification in Microgravity

Gravity has significant effects on alloy solidification, primarily due to thermosolutal convection and solid phase buoyancy. Since 2004, the European Space Agency has been supporting investigation of these effects by promoting in situ X-ray monitoring of the solidification of aluminium alloys on microgravity platforms, on earth, and in periodically varying g conditions. The first microgravity experiment – investigating foaming of liquid metals – was performed on board a sounding rocket, in 2008. In 2012 the first ever X-ray-monitored solidification of a fully dense metallic alloy in space was achieved: the focus was columnar solidification of an Al-Cu alloy. This was followed in 2015 by a similar experiment, investigating equiaxed solidification. Ground reference experiments were completed in all cases. In addition, experiments have been performed on board parabolic flights – where the effects of varying gravity have been studied. We review here the technical and scientific progress to date, and outline future perspectives