Experimentelle Untersuchungen zu frühen Stadien des Schmelzens im Temperaturgradienten

Es wurde eine experimentelle Methode entwickelt, mit der frühe Stadien des Schmelzens im Temperaturgradienten sichtbar werden. Nach dem teilweisen Aufschmelzen und Wiedererstarren einer ausgangs einphasigen Al-Cu-Legierung mit 3,5 bis 4Gew.% Cu sind ehemals flüssige Bereiche durch eine Sekundärphase markiert. Die Hierarchie der Keimbildungsorte der Schmelze wird anhand der Gefüge direkt nachvollziehbar. Zunächst bilden sich flüssige Filme an der Oberfläche und an den Korngrenzen. Mit dem Überschreiten der Solidustemperatur bilden sich Schmelz-tröpfchen auch im überhitzten Korninneren. Anhand der bimodalen Größenverteilungen der Tröpfchen wird gezeigt, dass es im Korninneren zwei unterschiedliche Klassen von Keimbildungsorten gibt. Es gelang mit Hilfe der Größenverteilungen und Simulationsrechnungen zum Wachstum der Tröpfchen erstmals (zeitlich aufgelöst) Keimbildungsraten der Schmelze zu bestimmen. In den wiedererstarrten Gefügen wird auch die Bewegung flüssiger Filme anhand der Lage und Breite partikelfreier Zonen und eutektischer Säume einer qualitativen und quantitativen Analyse zugänglich. Die erstmalig beobachtete Segmentierung von flüssigen Filmen falsifiziert gängige Theorien zur Ursache und Richtung der Bewegung flüssiger Filme. Es wurde anhand von Simulationsrechnungen gezeigt, dass Fluktuationen die Auslöser der Bewegung und der Segmentierung flüssiger Filme sind. Aufgrund der unterschiedlichen Gleichgewichtskonzentrationen an den fest/flüssig Grenzflächen entlang des Temperaturgradienten kommt es im Probenbereich zwischen der Solidus- und Liquidustemperatur zu makroskopischem Massetransport. Ein Vergleich der experimentell bestimmten zeitlichen Änderung der mittleren Konzentrationen und der simulierten zeigt, dass allein die Diffusion aufgrund von unterschiedlichen Grenzflächenkonzentrationen nicht ausreicht, die rasche Änderung der mittleren Konzentration zu erklären, sondern auch das Rückschmelzen der Probe im Bereich der Liquidustemperatur berücksichtigt werden muss