Promotie rond microstructuur stolling aluminium

Stap op weg naar begrijpen warmtescheuren

“Er is aangetoond dat overgangen in de microstructuur van aluminium tijdens stolling een effect hebben op de uiteindelijke structuur, in het bijzonder segregatie (structuurverschillen). Daarom kunnen ze van invloed zijn op de vorming van gietfouten, vooral warmtescheuren. Verder moeten onderzoekers in de toekomst voorzichtig zijn met de interpretatie van tweedimensionale foto’s, want in 3D kan het er heel anders uitzien.” Dat zegt de uit Mexico afkomstige Demian Ruvalcaba, die promoveerde aan de TU Delft, met als promotor professor Laurens Katgerman. Het proefschrift beschrijft een experimentele studie naar de ontwikkeling van de microstructuur tijdens de stolling van aluminiumlegeringen. Een aanbeveling is om alle factoren die een rol spelen bij de vorming van de microstructuur (vergroving, fragmentatie en microsegregatie) nader te bestuderen om zo de vorming van gietfouten te begrijpen.

Jelle Vaartjes

Ruvalcaba heeft al een indrukwekkende ‘carrière’ achter de rug als onderzoeker. Hij studeerde eerst in de Mexicaanse stad Saltillo en later haalde hij zijn Masters Degree aan de universiteit van Manchester. Uiteindelijk kwam hij in Delft terecht, waar hij onlangs promoveerde.  Laurens Katgerman, hoogleraar materiaaltechnologie aan de TU Delft, was promotor van Ruvalcaba. Het onderwerp (verdere studie naar de microstructuur van aluminium) heeft Katgerman aan Ruvalcaba aangeboden. Katgerman: “We hadden een groot project met vier onderzoekers die voornamelijk zouden gaan kijken naar warmtescheuren (scheuren die tijdens de stolling of aan het eind van de stolling optreden) en macrosegregatie (samenstellingsverschillen over de gehele afmeting van het gietstuk, die niet kunnen worden geëlimineerd door een warmtebehandeling).”
Aanleiding tot het onderzoek van Ruvalcaba is dat warmtescheuren en segregatie veel optreden, vooral bij het gieten van grote walsblokken. De taak van Ruvalcaba was om te kijken hoe de microstructuur tijdens de stolling verandert en doel was om dat beter te begrijpen.

 

3D-microstructuur die het 3D-verband laat zien van poriën aan de rechterkant.

Experimentele technieken

De aanpak van het promotieonderzoek was bijzonder. Ruvalcaba heeft een tweetal nieuwe, experimentele technieken toegepast. Katgerman: “Normaal maken we gebruik van een microscoop om te kijken wat er gebeurt. In de studie van Ruvalcaba zijn die beelden vertaald naar driedimensionale plaatjes door 2D-plaatjes van diverse dieptes in het sample te reconstrueren met speciale beeldverwerkings-software, waardoor je een veel beter inzicht krijgt in de werkelijke hoeveelheid fasen (de verschillende verschijningsvormen) die aanwezig zijn. Een ander onderzoek was om met hoge-energie-röntgen te kijken naar de stolling door middel van de beroemde deeltjesversneller in Grenoble. Daarmee kunnen we met röntgenstraling een stollingsmeting doen.”  Volgens Ruvalcaba zelf is momenteel sprake van ‘overschatting’ van de vaste aluminiumfractie bij bestudering van snel ingevroren microstructuren. “Dit wordt gedeeltelijk veroorzaakt door een onnauwkeurige analysemethode: beeldanalyse van 2D-doorsneden. Een 3D-reconstructie van de microstructuur zou het mogelijk maken de werkelijke morfologie van de gevormde fasen te analyseren en de stolling van de legeringen nauwkeurig te beschrijven.” Op basis van 3D-microstructuuranalyse is gevonden dat de overschatting van de vaste fractie veroorzaakt wordt door structuren die niet gezien worden in 2D-beeldanalyse.  Deze structuren zijn kleinschalige instabiliteiten die ontstaan zijn tijdens het afschrikken en die zich door coalescentie (vergroving) manifesteren als grotere structuren. Deze structuren geven het foutieve beeld dat ze gevormd zijn in de vaste fractie voor het moment van afschrikken.

3D-reconstructie van beelden die bestaan binnen de structuur a) korrels met grove cellen of drijvende korrels, b) korrels met fijne cellen, c) onderontwikkelde korrels of fragmenten daarrvan.

Rekening houdend met dit verschijnsel wordt de overschatting van de vaste fractie lager. De conclusie is dat de bestudeerde legeringen (Al–3 gew.% Si en Al–7 gew.% Cu), onder de bestudeerde stollingscondities, een stolpad vertonen dat overeenkomt met de Gulliver-Scheil (een situatie waarbij de vloeibare en vaste hoeveelheid met elkaar in evenwicht zijn). Gulliver-Scheil geeft aan hoeveel vaste fase er is bij een bepaalde temperatuur. Ruvalcaba: “De 3D-microstructuurreconstructie laat complexe structuren zien die veroorzaakt worden door de onbeperkte stollingscondities. Onder deze condities kunnen ontwikkelende dendrieten (een boomachtige structuur, waarin het aluminium stolt) elkaar ontmoeten en in hun groei beperkt worden door overlappende thermische en concentratiegradiënten. Onder deze condities kunnen complexe dendrietarmen ontstaan door processen als vergroving en samenvloeien.” Complexe verzamelingen van dendrietarmen worden waargenomen in 3D-reconstructies van snel gestolde structuren. Deze verzamelingen worden ‘gekoppelde dendrietvertakkingen’ genoemd, waarin dendrietarmen in elkaar groeien, convex (een bepaalde structuur) aan de ene zijde gekoppeld met een concave vorm aan de andere dendrietarm.
 

Nadere observatie van dendriet-fragmenten als gevolg van verrijking met legeringselementen in het vloeibare aluminium.

Vergroving en fragmentatie

Vergroving en fragmentatie van dendrieten tijdens stolling is bestudeerd met beelden van stolling van aluminiumlegeringen met een hoge koperconcentratie. Er is gevonden dat de kinetiek van vergroving tijdens stolling beïnvloed wordt door lokale segregatie en dendrietgroei. Ruvalcaba: “Tijdens de neerwaartse stolling (het deel dat beneden ligt, stolt het eerst) treedt er verzadiging van legeringselementen op aan het stolfront, gevolgd door uitzakken van deze elementen van het stolfront. Deze fluctuaties beïnvloeden de kinetiek van de lokale groei en de vergroving aan het stolfront. Tijdens opwaartse groei echter, treedt er lokale verzadiging aan het stolfront op, gevolgd door het neerslaan van legeringselementen en ophoping aan het stolfront.” Deze verdeling van elementen beïnvloedt de kinetiek van groei en vergroving. De verdeling van de rijke vloeistof werd bepaald door de geometrische verdeling van de dendrietarmen. Op basis van deze waarnemingen is gevonden dat de vergrovings­exponent, die een maat is voor de vergroving van de secundaire dendrietarmen, groter is dan gerapporteerd in de literatuur. Er is waargenomen dat deze hoge vergrovingsexponenten veroorzaakt worden door de groei van hogere-orde dendrietvertakkingen, waardoor dendrietarmen zich van elkaar verwijderen, en door competitieve groei die de werkelijke vergroving maskeert. Een nieuw mechanisme voor dendrietfragmentatie wordt voorgesteld in deze studie. Ruvalcaba: “Dendrietfragmentatie wordt veroorzaakt door lokale verrijking. Hogere-orde vertakkingen raken los van de dendrietstam tijdens stolling, wanneer deze omgeven zijn door een verrijkte vloeistof. Dit mechanisme veroorzaakt lokale onderkoeling door groei en elementverrijking aan de dendrietstam. Dendrietfragmentatie door lokale verrijking wordt beïnvloed door vergroving, maar voornamelijk door groei aan de tip van hogere-orde vertakkingen. Eenmaal losgeraakt kunnen deze fragmenten uitgroeien tot dendrieten met willekeurige oriëntatie (equiaxed). Dit fragmentatiemechanisme kan de overgang van richtingsgebonden naar equiaxed structuren versterken.” 


De stollingscondities beïnvloeden de ontwikkeling van de microstructuur, zo concludeert Ruvalcaba. “Korrelgrootte en de afstand tussen de dendriet­armen worden kleiner bij hogere afkoelsnelheden en hogere concentraties van legeringselementen (in dit geval koper). Ook de hoeveelheid eutecticum (het laatst stollende vloeibaar metaal) groeit bij toenemende Cu-concentratie.” De relatie tussen de afkoelsnelheid en de hoeveelheid eutecticum is complexer. De hoeveelheid eutecticum neemt toe bij koelsnelheden van 0–1 K/s en wordt kleiner bij snelheden van 1–10 K/s. Een dergelijke relatie tussen eutecticum en afkoelsnelheid wordt veroorzaakt door vergroving van dendrietarmen, eutectische onderkoeling en diffusie van elementen terug in de vaste stof bij fijnere structuren. Homogeniseren en oplossen van de eutectische fasen vergroten het waargenomen effect van een verminderde hoeveelheid eutecticum. Structuren van direct-chill (DC) gegoten perspalen zijn vaak inhomogeen en bevatten een scala aan korrelmorfologiën. De 3D-microstructuurreconstructie laat de werkelijke 3D-structuur van de korrels in de gegoten structuur zien: grofcellige korrels, fijncellige korrels (bijvoorbeeld duplex structuren) en minder ontwikkelde korrels. Een 2D-stereologische correctie kan de analyse van korrelmorfologie verbeteren, maar zij kan geen onderscheid maken tussen fijncellige korrels en minder ontwikkelde korrels. Analyse van microsegregatie, gecombineerd met een analyse van de korrelmorfologie, maakt het mogelijk om de oorsprong van korrels gedurende het gietproces te achterhalen. De vorming van verschillende korreltypes kan omschreven worden als: grofcellige korrels die zijn gevormd op hoge temperatuur in de bovenste laag van het stolfront en zijn arm aan legeringselementen. Als gevolg daarvan hebben ze een negatieve invloed op de segregatie op de hartlijn van een DC gegoten perspaal. Fijncellige korrels zijn gevormd op lage temperatuur, zijn rijker aan elementen, en hebben daarom een positieve bijdrage aan de segregatie op de hartlijn. Minder ontwikkelde korrels kunnen ontstaan zijn als dendrietfragmenten tijdens het gieten.