Study of ternary eutectic microstructures using 3D phase-field simulations and directional solidification experiments of Al-Ag-Cu

利用 Al-Ag-Cu 的三维相场模拟和定向凝固实验研究三元共晶微观结构

基本信息

项目摘要

The microstructure evolution of three-phase eutectics in 3D contains a broad variety of morphologies and is by no means understood, especially not the conditions for the occurrence of the various regular and irregular structures. The aim is to achieve substantial progress in understanding the microstructure formation in Al-Ag-Cu by a suitable combination of 3D phase-field modeling and dedicated experiments for a selected range of velocity jumps and compositions. A particular focus of the collaborative project is a mutual development of an integrated postprocessing framework to characterize simulated and experimental 3D microstructures by implementing appropriate programming interfaces and by applying identical tools. On the basis of the joint framework, the simulation results will be compared with experimental photographs and measured structural quantities.The team at KIT will employ a new quantitative phase-field model and performance improved simulation method developed in the first funding period to get insight into 3D microstructure formation such as brick structures, two phase rods, spirals and coupled growth. A thermodynamical data set of Al-Ag-Cu is incorporated in the phase-field model. In coordination with the experiments in Cologne, we aim to systematically vary the imposed pulling velocity jumps and alloy composition and analyze the resulting concentration profiles and microstructural properties such as morphology type, phase fraction, spacing and surface area. Based on the parallel nature of the code, 3D simulation studies will be carried out on high performance clusters and enable to derive morphology transition diagrams and correlation functions between the microstructure characteristics and solidification conditions. A particular focus will be the investigation of the effect of solid-solid anisotropy on the pattern formation and morphological pathways.The team at DLR will perform directional solidification experiments using the so-called ARTEMIS facilities, aerogel based furnaces which, due to the utilization of silica-aerogels, control a flat solid-liquid interface, the solidification velocity and the temperature gradient ahead of the interface over the processing length. The experiments will be performed in a velocity range of 0.1 mu m/s to 5 mu m/s with a temperature gradient of 3 K/mm. The microstructure evolution will be analyzed with newly developed methods such as nearest neighbor (NN) probabilities, NN distances for the different phases, average phase particle areas, and particle number densities. Besides light microscopy, we will use SEM with EDX and EBSD for local and global composition variations, determination of phase compositions, and local orientation of the phases. Some of the samples will be analyzed in 3D using x-ray tomography as established in the first period. We plan to apply external measurement capabilities like those at BESSY, DESY and ESRF.
3D 中三相共晶的微观结构演化包含多种形态,但目前尚不清楚,尤其是各种规则和不规则结构的发生条件。目的是通过 3D 相场建模和针对选定范围的速度跳跃和成分的专用实验的适当组合,在理解 Al-Ag-Cu 微观结构形成方面取得实质性进展。该合作项目的一个特别重点是共同开发集成后处理框架,通过实施适当的编程接口和应用相同的工具来表征模拟和实验 3D 微观结构。在联合框架的基础上,模拟结果将与实验照片和测量的结构量进行比较。KIT团队将采用在第一个资助期开发的新的定量相场模型和性能改进的模拟方法来深入了解3D 微观结构形成,例如砖结构、两相棒、螺旋和耦合生长。 Al-Ag-Cu 的热力学数据集被纳入相场模型中。与科隆的实验相配合,我们的目标是系统地改变所施加的拉速跳跃和合金成分,并分析所得的浓度分布和微观结构特性,例如形态类型、相分数、间距和表面积。基于代码的并行性质,将对高性能簇进行3D模拟研究,并能够导出形貌转变图以及微观结构特征和凝固条件之间的相关函数。特别重点是研究固-固各向异性对图案形成和形态路径的影响。DLR 的团队将使用所谓的 ARTEMIS 设施(基于气凝胶的炉)进行定向凝固实验,该炉由于利用了二氧化硅-气凝胶,控制平坦的固液界面、固化速度以及在加工长度上界面前方的温度梯度。实验将在 0.1 μm/s 至 5 μm/s 的速度范围内进行,温度梯度为 3 K/mm。将使用新开发的方法来分析微观结构演化,例如最近邻 (NN) 概率、不同相的 NN 距离、平均相颗粒面积和颗粒数密度。除了光学显微镜之外,我们还将使用 SEM 结合 EDX 和 EBSD 来分析局部和整体成分变化、相成分的确定以及相的局部取向。一些样本将使用第一阶段建立的 X 射线断层扫描技术进行 3D 分析。我们计划应用 BESSY、DESY 和 ESRF 等外部测量功能。

项目成果

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Phase-field simulations of spiral growth during directional ternary eutectic solidification
定向三元共晶凝固过程中螺旋生长的相场模拟
  • DOI:
    10.1016/j.actamat.2015.12.052
  • 发表时间:
    2016-03-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.4
  • 作者:
    J. Hötzer;P. Steinmetz;Marcus Jainta;S. Schulz;M. Kellner;B. Nestler;A. Genau;A. Dennstedt;Martin Bauer;H. Köstler;U. Rüde
  • 通讯作者:
    U. Rüde
Influence of growth velocity variations on the pattern formation during the directional solidification of ternary eutectic Al-Ag-Cu
Al-Ag-Cu三元共晶定向凝固过程中生长速度变化对图案形成的影响
  • DOI:
    10.1016/j.actamat.2017.07.007
  • 发表时间:
    2017-09-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.4
  • 作者:
    J. Hötzer;P. Steinmetz;A. Dennstedt;A. Genau;M. Kellner;I. Sargin;B. Nestler
  • 通讯作者:
    B. Nestler
Large-scale phase-field simulations of ternary eutectic microstructure evolution
三元共晶微观结构演化的大规模相场模拟
  • DOI:
    10.1016/j.commatsci.2016.02.001
  • 发表时间:
    2016-05-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    P. Steinmetz;J. Hötzer;M. Kellner;A. Dennstedt;B. Nestler
  • 通讯作者:
    B. Nestler
Phase-field study of the pattern formation in Al–Ag–Cu under the influence of the melt concentration
熔体浓度影响下 Al-Ag-Cu 图案形成的相场研究
  • DOI:
    10.1016/j.commatsci.2016.04.025
  • 发表时间:
    2016-08-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    P. Steinmetz;M. Kellner;J. Hötzer;A. Dennstedt;B. Nestler
  • 通讯作者:
    B. Nestler
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