Strömungs- und Erstarrungssimulation zur Metallinfiltration poröser Keramikmatrizen - SFB799 TP C1

Bearbeiter:

Dipl.-Ing. Jens Klostermann
Beginn:Juni 2008
Dauer:4 Jahre (Verlängerung auf 8 Jahre angestrebt)
Kooperationspartner:enge Zusammenarbeit mit Teilprojekten A4, A5, C4 des SFB 799
Ausgewählte Publikationen:

[1] J. Klostermann and R. Schwarze and Ch. Brücker and S. Turek, Evaluating numerical models for two-dimensional bubble dynamics, 2009

[2] J. Klostermann and R. Schwarze and Ch. Brücker, Multi-scale two-phase flow simulations of steel infiltration in a porous ceramic matrix, 2009

Inhalt:

Die Eigenschaft von Stahl-Keramik-Verbundwerkstoffen mit keramischen Abb. 1: CT Scan einer grobporösen keramischen SchaumstrukturTrägerstrukturen wird bei der Herstellung wesentlich durch die Prozessbedingungen bei der Infiltration, durch die Grenzflächeneffekte und die anschließende Erstarrung einschließlich der dabei induzierten Phasenumwandlungseffekte bestimmt. Eine von der Mikroskala bis zur Bauteilgröße umfassende Modellierung dieser Vorgänge ist für komplexere Preforms mit innerer Vernetzung bis heute noch nicht möglich. Für die großtechnische Anwendung dieser Verbundwerkstoffe werden grobporöse keramische Makrostrukturen eingesetzt (Abb. 1),die im Niederdruckverfahren effizient infiltriert werden. Die Infiltration lässt sich dabei anders als in Mikrostrukturen nicht mehr mit dem Darcy-Gesetz beschreiben, vielmehr werden stark geometrieabhängige, wirbelbehaftete und turbulente Strömungsstrukturen beim Infiltrieren im InnerenAbb. 2: Strömungsfeld des in einer grobporösen keramischen Struktur auftreten(Abb. 2).

Die Wechselwirkung mit der Grenzfläche Schmelze/Luft und Schmelze/Keramik wird hierbei entscheidend für die Entstehung von lokalen Gussfehlern sein. Hierzu ist eine direkte Simulation der Strömungsvorgänge in den Strukturen mit anschließender Erstarrungssimulation notwendig. Im TP C1 sind hierzu numerische Simulationen der Formfüllung und der Erstarrung für das Zweiphasen-System Schmelze/Luft für typische grobporöse Matrizenstrukturen mit unterschiedlichen Benetzungseigenschaften und Oberflächenspannungen vorgesehen [1][2]. Die numerischen Ergebnisse werden hinsichtlich des Füllvorgangs mit einem experimentelleDie Wechselwirkung mit der Grenzfläche Schmelze/Luft und Schmelze/Keramik wird hierbei entscheidend für die Entstehung von lokalen Gussfehlern sein. Hierzu ist eine direkte Simulation derAbb. 3: Infiltration einer Vergleichsstruktur experimentel Strömungsvorgänge in den Strukturen mit anschließender Erstarrungssimulation notwendig. Im TP C1 sind hierzu numerische Simulationen der Formfüllung und der Erstarrung für das Zweiphasen-System Schmelze/Luft für typische grobporöse Matrizenstrukturen mit unterschiedlichen Benetzungseigenschaften und Oberflächenspannungen vorgesehen [1][2]. Die numerischen Ergebnisse werden hinsichtlich des Füllvorgangs mit einem experimentellen Gießmodell verifiziert, an dem sich die Strömungsvorgänge und die Füllung mit einem Ersatz-Fluid beobachten und messen lassen, siehe Abb. 3 und Abb. 4.

Die Ergebnisse sollen physikalische Erkenntnisse zur Entstehung von strömungsinduzierten Fehlstellen bedingt durch Nachläufe, lokal aufeinander treffendeAbb. 4: Infiltration einer Vergleichsstruktur numerisch Füllfronten und Grenzflächeneffekte liefern, die die Phasenumwandlungsprozesse lokal beeinflussen. Aufbauend auf diesen Grundlagen lassen sich optimierte Randbedingungen für die gießtechnische Fertigung von Stahlguss-Verbundkomponenten fundiert ableiten. n Gießmodell verifiziert, an dem sich die Strömungsvorgänge und die Füllung mit einem Ersatz-Fluid beobachten und messen lassen, siehe Abb. 3 und Abb. 4. Die Ergebnisse sollen physikalische Erkenntnisse zur Entstehung von strömungsinduzierten Fehlstellen bedingt durch Nachläufe, lokal aufeinander treffende Füllfronten und Grenzflächeneffekte liefern, die die Phasenumwandlungsprozesse lokal beeinflussen. Aufbauend auf diesen Grundlagen lassen sich optimierte Randbedingungen für die gießtechnische Fertigung von Stahlguss-Verbundkomponenten fundiert ableiten.