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Advanced high strength steels (AHSSs) are considered to have a promising future due to the outstanding properties compared with the conventional steel and have been widely adopted as the base materials for the automotive components. Some of the challenges preventing the extensive applications of AHSSs are due the solidification defects, i.e. hot tearing and segregation. In this thesis, a 3D mesoscale and multi-physics model is developed and validated to directly investigate solidification defects for semi-solid steel with dendritic morphology associated with the peritectic transformation. Similar to the prior models [1,2], the current model explicitly considers the solidification behavior of each grain prior to assembling, which allows for the mesoscale simulation within a semisolid containing thousands of grains. Six sub-models are incorporated: (i) microstructure generation model is used to create the fully solidified microstructure of equiaxed grains based on a Voronoi tessellation; (ii) a dendritic solidification module based on an average volume approach is developed for predicting the solidification behavior of a random set of grains, considering the diffusion in different phases along with peritectic transformation. The progressive coalescence to form a solid cluster is predicted by incorporating an interfacial energy determination model; (iii) a fluid flow module is developed for the prediction of both intra-dendritic flow and extra-dendritic flow within the dendritic network induced by solidification shrinkage and deformation; (iv) a semisolid deformation model is used and extended to simulate the semi-solid mechanical behavior of steel using a discrete element method. The solid grains are modeled using a constitutive law and implemented via Abaqus commercial software; (v) a coupled cracking model incorporated with a failure criterion is used and extended to predict the crack formation and propagation in semi-solid steel. This comprehensive model consists of models (i-iv) and considers the interaction between the deformation within the solid phase and pressure drop in the liquid phase; (vi) a one-way coupled solute transportation module is also developed and used to simulate the solute redistribution due to fluid flow and diffusion within the liquid channels assuming the solid grains are fixed. The movement of the solute-enriched liquid in the solute transport model is induced by solidification shrinkage and deformation. The new 3D mesoscale model is then applied to correlate the semisolid behavior during solidification to different physical and process parameters. The results from the dendritic solidification model show the evolution in semi-solid microstructure and consequently liquid film migration. The model is able to predict the solidification of equiaxed grains with either globular and dendritic structure having experiencing primary solidification and the peritectic transformation. The coalescence phenomenon between grains is considered at the end of solidification using Bulatov’s approach[24] for estimating interfacial energy. It is seen that only 0.9% of the grains are attractive based on their orientations within a specific domain, significantly depressing final-stage solidification. The dendritic fluid flow model quantitatively captures both semi-solid morphology and the fluid flow behavior, and provides an alternative to the convectional experiment for the prediction of permeability by using the given surface area concentration. Comparison of the numerical and experimental permeabilities shows a good agreement (within ± 5%) for either extra-dendrite or intra-dendritic flow, and deviation from the conventional Carman-Kozeny equations using simplified Dendritic Sv or Globular Sv are explained in detail. The results quantitatively demonstrate the effect of grain size and microstructure morphology during solidification on the permeability prediction. The localization of liquid feeding under the pressure gradient is also reproduced. Additionally, the fluid flow due to shrinkage and deformation for non-peritectic and peritectic steel grades with dendritic morphology during solidification was captured for the first time. The cracking model allows for the prediction of hot tearing initiation and the progressive propagation during a tensile test deformation and the results are compared with the experimental results conducted by Seol et al.[3]at different solid fractions. Parametric studies of coalescence criteria and surface tension on the constitutive behavior of the semisolid are discussed and the deformation behavior of alloys with different carbon contents under a feedable mushy zone is investigated. Finally, the solute transport model has been applied to the continuous casting process of steel for the investigation of centreline segregation, and results indicate that the grain size has a great impact on the solute distribution and solute partitioning combined with intra-dendritic fluid flow leads eventually to liquid channels enriched with solute. The predicted composition in these discrete liquid channels shows a great match with the experimental measured profile obtained via the microscopic X-Ray fluorescence (MXRF). / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

This thesis work concerns about the importance of the cast surfaces, surface phenomenon such as the formation of the oscillation marks and exudation and related defects including cracks and segregation that happened during the continuous casting. All of the investigated materials were collected during the plant trials while an in-depth analysis on these materials was performed at the laboratory scale with certain explanations supported by the schematic and theoretical models. The work consists on different material classes such as steels and phosphor bronzes with a focus on the surface defects and their improvements. In order to facilitate the theoretical analysis which could be capable of explaining the suggested phenomenon in the thesis, a reduced model is developed which required lesser computational resources with lesser convergence problems. / <p>QC 20160527</p> / Oscilation mark formation during continous casting of steel

Thesis (PhD (Earth Sciences))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH SUMMARY: S-type granite intrusions are extremely common in the continental crust and form from the partial melting of metasediments. Compositions of S-type granite range from leucogranite to granodiorite and have trace element contents that globally increase with increasing maficity (Fe + Mg). Models proposed for the formation of S-type granite do not answer satisfactorily all petrological and compositional requirements. In this study, S-type granite of the Cape Granite Suite (CGS), South Africa is used to discriminate between potential sources of compositional variation. Experimental studies show that melt produced from the partial melting of sediment is exclusively leucocratic. On this basis, the entrainment of up to 20 wt.% of peritectic garnet within S-type melt can be established to produce the observed major element variations. S-type CGS locally contains garnet. This garnet is in equilibrium with granite composition at P-T conditions (5kb and 750 C for the core of the garnet and 3kb and 720 C for the rim) well below conditions recorded by xenoliths from the same granite (10 kb and 850 C from a metabasite). From this result it seems that the originally entrained garnet no longer exists in the Stype CGS and it have been replaced by newly formed minerals (garnet, cordierite and biotite). Considering the short time necessary to emplace granites (about 100 000 years), it appears that garnet has been compositionnally re-equilibrated through a dissolution-precipitation process. The study of trace element variations in S-type CGS shows that most leucocratic compositions are undersaturated in Zr and Ce compared to predictions from experimental models for dissolution of accessory zircon and monazite in their source regions. Thus, S-type melts are likely to be formed in disequilibrium with respect to accessory phase stability. As a result the observed increase in trace element content with increasing maficity indicates that accessory minerals such as zircon and monazite are co-entrained with peritectic garnet in melt to produce the observed trace element variation in S-type granite. Trace element disequilibrium in the CGS S-type granitoids requires particularly short times of residence of melt within the source region. Together, these results provide for the first time, a fully comprehensive model for major and trace elements variations. Compositional variation in CGS S-type granite results from source processes by a selective entrainment of peritectic and accessory minerals. After entrainment, these minerals are likely to be re-equilibrated within the magma, through a dissolution-reprecipitation process. In addition, it appears that the construction of large S-type granitic bodies occurs through successive addition of magma batches of different composition that originates directly from the source region. / AFRIKAANSE OPSOMMING: S-tipe granietinstrusies is baie algemeen in die kontinentale kors en vorm deur die gedeeltelike smelting van metasedimente. Samestellings van S-tipe graniete strek vanaf leukograniet tot granodioriet en het spoorelementsamestellings wat global toeneem met ’n toenemende mafiese component (Fe + Mg). Modelle wat voorgestel is vir die formasie van S-tipe graniete beantwoord nie bevredigend al die petrologiese en komposisionele benodigdhede nie. In hierdie studie word S-tipe graniete van die Kaapse Graniet Suite (CGS), Suid Afrika, gebruik om te diskrimineer tussen potensiele bronne van komposisionele variasie. Eksperimentele studies wys dat smelt, geproduseer van die gedeeltelike smelting van sedimente, uitsluitlik leukokraties is. Op hierdie basis kan bewys word, dat die optel-en-meevoering van tot 20 wt% van peritektiese granaat in S-tipe smelt, die waargeneemde hoofelement variasies kan produseer. S-tipe CGS bevat lokale granaat. Hierdie granaat is in ekwilibrium met die graniet samestelling by P-T kondisies (5kb en 750circC vir die kern van die granaat en 3kb en 720circC vir die rand) ver onder kondisies waargeneem by xenoliete van dieselfde granite (10kb en 850circC van ’n metabasiet). Van hierdie resultaat kan afgelei word dat die oorspronklike opgetel-en-meegevoerde graniet bestaan nie meer in die S-tipe CGS en dat dit vervang is deur nuutgevormde minerale (granaat, kordieriet en biotiet). As in ag geneem word die kort tyd wat nodig is om graniete in te plaas (omtrent 100 000 jaar), wil dit voorkom dat granaat se samestelling geherekwilibreer word deur ’n oplossings-presipitasie proses. Die studie van spoorelement variasies in S-tipe CGS wys dat meeste leukokratiese samestellings is onderversadig in Zr en Ce in vergelyking met voorspellings deur eksperimentele modelle vir die oplossing van bykomstige zircon en monasiet in hulle brongebiede. Dus is S-tipe smelte meer geneig om gevorm te word in disekwilibrium in verhouding tot bykomstige mineraalstabilileit. Met die gevolg is dat die waargenome toename in spoorelementinhoud met toename in mafiese component wys dat bykomstige minerale, soos zirkoon en monasiet, word saam opgetel-enmeegevoer met peritektiese granaat in smelt om die waargenome spoorelement variasie in S-tipe graniete te verklaar. Spoorelement disekwilibrium in die CGS S-tipe granitoide benodig veral kort tye van residensie van die smelt binne die brongebied. Saam gee hierdie resultate vir die eerste keer ’n algehele antwoord vir hoof- en spoorelement variasies. Variasie in samestelling in CGS S-tipe graniete is die resultaat van bronprosesse deur ’n selektiewe optel-en-meevoer van peritektiese en bykomstige minerale. Na die optel-en-meevoer van hierdie minerale word hulle geherekwilibreer binne die magma deur ’n oplossings-presipitasie proses. Addisioneel wil dit voorkom of die konstruksie van groot S-tipe granietliggame plaasvind deur opeenvolgende toevoegings van magma lotte van verskillende samestellings wat direk uit die brongebied kom.

In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Schmelzkonvektion auf das erstarrende Gefüge von peritektischen Nd-Fe-B – und TiAl-Legierungen mit Hilfe neuartiger Methoden untersucht. Da die magnetischen und mechanischen Eigenschaften dieser technisch relevanten Legierungen stark vom Gefüge und insbesondere vom Volumenanteil der properitektischen Phase abhängen, sind diese Untersuchungen von großem Interesse. Auf der Basis der numerischen Simulationen der Schmelzkonvektionsmoden und des elektromagnetischen Problems in einer induktiv beheizten Schmelze, die am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf durchgeführt wurden, wurden am IFW Dresden neuartige Versuchsaufbauten entwickelt, die die Modifizierung der Konvektion in einer Metallschmelze ermöglichen. Dies sind ein Aufbau zur erzwungenen Schmelzrotation in einem Tiegel und eine modifizierte Floating-Zone-Anlage. Die erzwungene Schmelzrotation, bei der der Schmelztiegel mit einer definierten Frequenz rotiert, führt in Übereinstimmung mit der Simulation zu einer starken Reduzierung der Konvektion in Abhängigkeit von der Frequenz. Diese Methode wurde auf Nd-Fe-B-Legierungen angewendet mit dem Ziel, die Bildung der unerwünschten weichmagnetischen Eisenphase zu unterdrücken bzw. deren Volumenanteil zu reduzieren. Im Ergebnis konnte der Volumenanteil der properitektischen Phase mit diesem Verfahren um 38.5 % reduziert werden. Das dendritische Gefüge wurde einer ausführlichen statistischen Analyse unterzogen, bei der die Abstände der sekundären Dendritenarme (SDAS) gemessen wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die SDAS sich mit steigender Frequenz der Tiegelrotation, was einer reduzierten Schmelzkonvektion entspricht, verringern. Die Verringerung des Volumenanteils der properitektischen Eisenphase und der SDAS wird mit dem reduzierten konvektiven Massentransport unter reduzierter Schmelzkonvektion erklärt. Starke interdendritische Strömung reduziert die Dicke der Diffusionsgrenzschicht um die properitektische Phase. Dadurch wird der Stofftransport durch die Grenzschicht erleichtert. Kleinere Dendritenarme werden in die Schmelze zurückgeschmolzen, wodurch sich der Abstand zwischen den verbleibenden Dendritenarmen vergrößert. Eine Floating-Zone-Anlage, die das tiegelfreie Prozessieren von Metallschmelzen erlaubt wurde so modifiziert, dass mit Hilfe eines Doppelspulensystems eine zusätzliche wohl definierte elektromagnetische Kraft eingebracht wird, über die eine sehr intensive (Zweiphasenrührer in Parallelschaltung) bzw. stark verringerte Strömung (Doppelspule in Reihenschaltung) in der Schmelze eingestellt werden kann. Die experimentellen Ergebnisse der Untersuchungen am Nd-Fe-B-System mit der Doppelspule in Reihenschaltung zeigten, dass sich bei einem optimalen Spulenabstand von 5,1 mm die geringste Schmelzkonvektion ergab, wobei der Anteil des a-Eisen-Volumenanteils weiter verringert werden konnte. Im Gegensatz dazu wurde mit dem Zweiphasenrührer in Parallelschaltung eine sehr starke Schmelzkonvektion mit einem maximalen Volumenanteil der a-Eisen-Phase eingestellt, wobei durch die starke Rührung ein Wechsel der Morphologie von dendritisch zu globular zu beobachten war. Die Untersuchungen zum Einfluss der starken Schmelzkonvektion wurden auf ein weiteres peritektisch erstarrendes System ausgedehnt, um eine generalisierte Aussage zum Einfluss der Konvektion auf Gefüge und Eigenschaften peritektisch erstarrender Legierungen zu erhalten. Die ausgewählte Ti45Al55 - Legierung erstarrte unter starker Schmelzkonvektion ebenfalls globulitisch, wobei Reste dendritisch erstarrter properitektischer Phase gefunden wurden. Der Volumenanteil der properitektischen Phase steigt dabei mit zunehmender Rührwirkung an. Der Wechsel der Morphologie von dendritisch zu globular/dendritisch kann mit sphärischem Wachstum oder Fragmentierung der Dendritenarme erklärt werden. Die mechanischen Eigenschaften unter unterschiedlicher Schmelzkonvektion erstarrter Ti45Al55 – Legierung wurden bei Druckversuchen untersucht. Es wurde eine signifikant höhere plastische Verformbarkeit an der unter starker Schmelzkonvektion erstarrten Ti45Al55 – Legierung gefunden. Dies wird der isotropen spherischen Morphologie der lamellaren a2/g-Phase zugeordnet, während die anisotrope Orientierung der dendritisch- lamellaren Phase unerwünschte plastische Eigenschaften zeigt. Die Untersuchungen des Einflusses der Schmelzkonvektion auf das Gefüge peritektisch erstarrender Legierungen zeigten, dass ein maßgeschneidertes Gefüge durch optimale Wahl der Schmelzkonvektion möglich ist und damit magnetische bzw. mechanische Eigenschaften verbessert werden können. Die Kontrolle der Schmelzkonvektion ist daher ein geeignetes Mittel gewünschte Gefüge und Eigenschaften in Abhängigkeit von den Prozessabläufen einzustellen. / In this work, the effect of melt convection on the microstructure evolution of peritectic Nd-Fe-B and Ti-Al alloy systems was studied using novel techniques. The microstructural formation including the change in volume fraction and morphology of the properitectic phase influences the magnetic and mechanical properties for the Nd-Fe-B and Ti-Al alloy systems, respectively. On the basis of numerical simulations by the research group of Dr. Gunter Gerbeth from Department of Magnetohydrodynamics, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, two types of specially designed facilities were developed where melt convection can be altered by changing a number of parameters. These are: forced rotation facility and modified floating zone facility. According to the numerical simulation, an additional crucible rotation suppresses the internal melt motion significantly during forced rotation experiments, where the molten alloy is rotated at a well-defined frequency. This method was applied during the solidification of Nd-Fe-B alloys with the aim to suppress the volume fraction of undesired soft magnetic a-Fe phase. As a result, the volume fraction of properitectic phase with this method can be reduced up to 38 %. A detailed statistical analysis of secondary dendritic arm spacing (SDAS) measurements of a-Fe showed that the SDAS decreases as the rotational frequency increases and melt convection decreases. The reduction in the phase fraction and SDAS of properitectic phase is attributed to the reduced convective mass transfer under reduced melt motion. At high fluid velocity and low rotational frequency, the stronger interdendritic flow reduces the solute boundary layer and increases the transfer of solute through the interface. The smaller dendrite arms dissolve into the melt and thus the SDAS becomes higher than that of the samples solidified at higher rotational frequencies with reduced melt convection. Floating zone facility, which allows contactless heating without any contamination for highly reactive melts, was modified with a double coil system so that an additional electromagnetic force is introduced inside the melt. This induces either very intensive (two-phase stirrer in parallel connection coil system) or very reduced flow (series connection coil system) inside the melt The experimental results of series connection coil system showed that a reduced melt convection state is achieved near 5.1 mm coil distance where a-Fe volume fraction becomes minimum. On the contrary, the parallel coil system experiments showed that a-Fe volume fraction becomes maximum when the phase shift between the coils is close to 90°. The morphology of the a-Fe becomes globular due to spherical growth under strong convection. The study on the effect of strong stirring was extended to another alloy to get a generalized idea about the influence of melt convection on the microstructure development and resulting properties of peritectic alloys. Peritectic Ti45Al55 alloys were investigated by the two-phase stirrer using the coils connected in parallel to study the effect of enhanced melt convection. The increase in the properitectic phase fraction together with a strong change in the morphology from dendritic to spherical were observed in the stirred samples. The increase in the properitectic phase fraction occurs due to the enhanced effective mass transfer under strong melt convection. The change in morphology of the properitectic phase is attributed to spherical growth or fragmentation of dendrite arms under strong convection. The mechanical properties of Ti45Al55 alloys, which are solidified at different convection states, were studied. There was a significantly higher plastic deformability of stirred samples compared to unstirred samples. The coarse anisotropic orientation of the dendritic lamellar phase is detrimental for the plastic deformability, which is absent in the stirred samples due to the spherical and discrete morphology of the properitectic phase. This study indicates that tailored microstructure can be obtained either by decreasing (e.g. for Nd-Fe-B alloy) or increasing (e.g. for Ti-Al alloy) the convection state using effective techniques inside the melt to improve the magnetic and mechanical properties, respectively. Thus, controlling convection is a useful way to get favorable microstructure according to the process need.

Cette thèse est le volet expérimental d’un projet de recherche qui vise à développer un code de calcul qui prédit finement la micro ségrégation des aciers présentant une réaction péritectique. La caractérisation expérimentale de la micro ségrégation a été menée grâce à des essais de solidification dirigée et des essais de trempe en cours de solidification dirigée ainsi que sur des échantillons de lingots industriels. Les alliages sélectionnés font partie des systèmes Fe-C-Ni et Fe-C-Cr. Nous avons d’abord étudié sur des aciers solidifiés l’effet de la composition chimique et l’effet du premier solide ferrite / austénite sur la micro ségrégation. Par la suite nous avons caractérisé la formation de la micro ségrégation avec et sans réaction péritectique. On a montré aussi les effets de la taille de la structure, de la microstructure (dendritique / cellulaire)et de la texture du grain sur la micro ségrégation (colonnaire / équiaxe) sur la micro ségrégation. Enfin, nous avons comparé les résultats expérimentaux avec les résultats de la modélisation. / This PhD work is an experimental part of a global R&D project witech aim to study the microsegregation in peritectic steels. The experimental investigations were made by a Directional Solidification device (DS), Quenched Directional Solidification (QDS) and from parts of industrials ingots. The alloys selected were taken from the Fe-C-Ni and Fe-C-Cr systems. On the solidified steels we investigate the effect of the chemical composition and the first solid (ferrite/austenite) on the microsegregation. The next step was the characterization of the microsegregation during the solidification with and without a peritectic reaction. Afterwards we study the effects of the length of the structure, the microstructure (dendritic/cellular) and the texture of the grains (columnar/equiaxed) on the microsegregation. At the end we have do a comparison bethween the experimental results and those from the numerical simulations

Climate change is no longer imminent but eminent. To combat climate change, effective, efficient and smart energy use is imperative. Thermal energy storage (TES) with phase change materials (PCMs) is one attractive choice to realize this. Besides suitable phase change temperatures and enthalpies, the PCMs should also be robust, non-toxic, environmental-friendly and cost-effective. Cost-effective PCMs can be realized in bulk blends. Blends however do not have robust phase change unless chosen articulately. This thesis links bulk blends and robust, cost-effective PCMs via the systematic design of blends as PCMs involving phase equilibrium evaluations. The key fundamental phase equilibrium knowledge vital to accurately select robust PCMs within blends is established here. A congruent melting composition is the most PCM-ideal among blends. Eutectics are nearly ideal if supercooling is absent. Any incongruent melting composition, including peritectics, are unsuitable as PCMs. A comprehensive state-of-the-art evaluation of the phase equilibrium-based PCM design exposed the underinvestigated categories: congruent melting compositions, metal alloys, polyols and fats. Here the methods and conditions essential for a comprehensive and transparent phase equilibrium assessment for designing PCMs in blends are specified. The phase diagrams of the systems erythritol-xylitol and dodecane-tridecane with PCM potential are comprehensively evaluated. The erythritol-xylitol system contains a eutectic in a partially isomorphous system unlike in a non-isomorphous system as previous literature proposed. The dodecane-tridecane system forms a probable congruent minimum-melting solid solution, but not a maximum-melting liquidus or a eutectic as was previously proposed. The sustainability aspects of a PCM-based TES system are also investigated. Erythritol becomes cost-effective if produced using glycerol from bio-diesel production. Olive oil is cost-effective and has potential PCM compositions for cold storage. A critical need exists in the standardization of methods and transparent results reporting of the phase equilibrium investigations in the PCM-context. This can be achieved e.g. through international TES collaboration platforms. / Energi är en integrerad del av samhället men energiprocesser leder till miljöbelastning, och klimatförändringar. Därför är effektiv energianvändning, ökad energieffektivitet och smart energihantering nödvändigt. Värmeenergilagring (TES) är ett attraktivt val för att bemöta detta behov, där ett lagringsalternativ med hög densitet är s.k. fasomvandlingsmaterial (PCM). Ett exempel på ett billigt, vanligt förekommande PCM är systemet vatten-is, vilket har använts av människor i tusentals år. För att tillgodose de många värme- och kylbehov som idag uppstår inom ett brett temperaturintervall, är det viktigt med innovativ design av PCM. Förutom lämplig fasförändringstemperaturer, entalpi och andra termofysikaliska egenskaper, bör PCM också ha robust fasändring, vara miljövänlig och kostnadseffektiv. För att förverkliga storskaliga TES system med PCM, är måste kostnadseffektivitet och robust funktion under många cykler bland de viktigaste utmaningarna. Kostnadseffektiva PCM kan bäst erhållas från naturliga eller industriella material i bulkskala, vilket i huvudsak leder till materialblandningar, snarare än rena ämnen. Blandningar uppvisar dock komplexa fasförändringsförlopp, underkylning och/eller inkongruent smältprocess som leder till fasseparation. Denna doktorsavhandling ger ny kunskap som möjliggör att bulkblandningar kan bli kostnadseffektiva och robusta PCM-material, med hjälp av den systematiskutvärdering av fasjämvikt och fasdiagram. Arbetet visar att detta kräver förståelse av relevanta grundläggande fasjämviktsteorier, omfattande termiska och fysikalisk-kemiska karakteriseringar, och allmänt tillämpliga teoretiska utvärderingar. Denna avhandling specificerar befintlig fasjämviktsteori för PCM-sammanhang, men sikte på att kunna välja robusta PCM blandningar med specifika egenskaper, beroende på tillämpning. Analysen visar att blandningar med en sammansättning som leder till kongruent smältande, där faser i jämvikt har samma sammansättning, är ideala bland PCM-blandningar. Kongruent smältande fasta faser som utgör föreningar eller fasta lösningar av ingående komponenter är därför ideala. Eutektiska blandningar är nästan lika bra som PCM, så länge underkylning inte förekommer. Därmed finns en stor potential för att finna och karakterisera PCM-ideala blandningar som bildar kongruent smältande föreningar eller fasta lösningar. Därigenom kan blandningar med en skarp, reversibel fasändring och utan fasseparation erhållas – egenskaper som liknar rena materialens fasändringsprocess. Vidare kan man, via fasdiagram, påvisa de blandningar som är inkongruent smältande, inklusive peritektiska blandningar, som är direkt olämpliga som PCM. Denna avhandling ger grundläggande kunskap som är en förutsättning för att designa PCM i blandningar. Genom en omfattande state-of-the-art utvärdering av fas-jämviktsbaserad PCM-design lyfter arbetet de PCM-idealiska blandningarna som hittills inte fått någon uppmärksamhet, såsom kongruenta smältande blandningar, och materialkategorierna metallegeringar, polyoler och fetter. Resultatet av arbetet visar dessutom att vissa PCM-material som ibland föreslås är direkt olämpliga då fasdiagram undersöks, bl a pga underkylning och även peritektiska system med fasseparation och degradering av kapaciteten (t ex Glauber-salt och natriumacetat-trihydrat). Denna avhandling specificerar och upprättar grundläggande teori samt tekniker, tillvägagångssätt och förhållanden som är nödvändiga för en omfattande och genomsynlig fasjämviktsbedömning, för utformning av PCM från blandningar för energilagering. Med detta som bas har följande fasdiagramtagits fram fullständigt: för erytritol-xylitol och för dodekan-tridekan, med PCM-potential för låg temperaturuppvärmning (60-120 °C) respektive frysning (-10 °C till -20 °C) utvärderas fullständigt. Erytritol-xylitol systemet har funnits vara eutektiskt i ett delvis isomorft system, snarare än ett icke-isomorft system vilket har föreslagits tidigare litteratur. Dodekan-tridekan systemet bildar ett system med kongruent smältande fast lösning (idealisk som en PCM) vid en minimumtemperatur, till skillnad från tidigare litteratur som föreslagt en maximumtemperatur, eller ett eutektiskt system. Teoretisk modellering av fasjämvikt har också genomförts för att komplettera det experimentella fasdiagrammet för systemet erytritol-xylitol. Efter granskning av de metoder som använts tidigare i PCM-litteraturen har här valts ett generiskt tillvägagångssätt (CALPHAD-metoden). Denna generiska metod kan bedöma vilken typ av material och fasändring som helst, till skillnad från en tidigare använda metoder som är specifika för materialtyper eller kemiska egenskaper. Denna teoretiska studie bekräftar termodynamiskt solvus, solidus, eutektisk punkt och erytritol-xylitol fasdiagrammet i sin helhet. Vad gäller hållbarhetsaspekter med PCM-baserad TES, lyfter denna avhandling fokus på förnybara och kostnadseffektiva material (t.ex. polyoler och fetter) som PCM. Som exempel har här undersökts erytritol och olivolja, med förnybart ursprung. Erytritol skulle kunna bli ett kostnadseffektivt PCM (163 USD/kWh), om det produceras av glycerol vilket är en biprodukt från biodiesel/bioetanolframställning. Olivolja är ännu ett kostnadseffektivt material (144 USD/kWh), och som här har påvisats innehålla potentiella PCM sammansättningar med lämpliga fasändringsegenskaper för kylatillämpningar. En övergripande slutsats från denna avhandling är att det finns ett behov av att standardisera tekniker, metoder och transparent resultatrapportering när det gäller undersökningar av fasjämvikt och fasdiagram i PCM-sammanhang. Internationella samarbetsplattformar för TES är en väg att koordinera arbetet. / <p>QC 20170830</p>

In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Schmelzkonvektion auf das erstarrende Gefüge von peritektischen Nd-Fe-B – und TiAl-Legierungen mit Hilfe neuartiger Methoden untersucht. Da die magnetischen und mechanischen Eigenschaften dieser technisch relevanten Legierungen stark vom Gefüge und insbesondere vom Volumenanteil der properitektischen Phase abhängen, sind diese Untersuchungen von großem Interesse. Auf der Basis der numerischen Simulationen der Schmelzkonvektionsmoden und des elektromagnetischen Problems in einer induktiv beheizten Schmelze, die am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf durchgeführt wurden, wurden am IFW Dresden neuartige Versuchsaufbauten entwickelt, die die Modifizierung der Konvektion in einer Metallschmelze ermöglichen. Dies sind ein Aufbau zur erzwungenen Schmelzrotation in einem Tiegel und eine modifizierte Floating-Zone-Anlage. Die erzwungene Schmelzrotation, bei der der Schmelztiegel mit einer definierten Frequenz rotiert, führt in Übereinstimmung mit der Simulation zu einer starken Reduzierung der Konvektion in Abhängigkeit von der Frequenz. Diese Methode wurde auf Nd-Fe-B-Legierungen angewendet mit dem Ziel, die Bildung der unerwünschten weichmagnetischen Eisenphase zu unterdrücken bzw. deren Volumenanteil zu reduzieren. Im Ergebnis konnte der Volumenanteil der properitektischen Phase mit diesem Verfahren um 38.5 % reduziert werden. Das dendritische Gefüge wurde einer ausführlichen statistischen Analyse unterzogen, bei der die Abstände der sekundären Dendritenarme (SDAS) gemessen wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die SDAS sich mit steigender Frequenz der Tiegelrotation, was einer reduzierten Schmelzkonvektion entspricht, verringern. Die Verringerung des Volumenanteils der properitektischen Eisenphase und der SDAS wird mit dem reduzierten konvektiven Massentransport unter reduzierter Schmelzkonvektion erklärt. Starke interdendritische Strömung reduziert die Dicke der Diffusionsgrenzschicht um die properitektische Phase. Dadurch wird der Stofftransport durch die Grenzschicht erleichtert. Kleinere Dendritenarme werden in die Schmelze zurückgeschmolzen, wodurch sich der Abstand zwischen den verbleibenden Dendritenarmen vergrößert. Eine Floating-Zone-Anlage, die das tiegelfreie Prozessieren von Metallschmelzen erlaubt wurde so modifiziert, dass mit Hilfe eines Doppelspulensystems eine zusätzliche wohl definierte elektromagnetische Kraft eingebracht wird, über die eine sehr intensive (Zweiphasenrührer in Parallelschaltung) bzw. stark verringerte Strömung (Doppelspule in Reihenschaltung) in der Schmelze eingestellt werden kann. Die experimentellen Ergebnisse der Untersuchungen am Nd-Fe-B-System mit der Doppelspule in Reihenschaltung zeigten, dass sich bei einem optimalen Spulenabstand von 5,1 mm die geringste Schmelzkonvektion ergab, wobei der Anteil des a-Eisen-Volumenanteils weiter verringert werden konnte. Im Gegensatz dazu wurde mit dem Zweiphasenrührer in Parallelschaltung eine sehr starke Schmelzkonvektion mit einem maximalen Volumenanteil der a-Eisen-Phase eingestellt, wobei durch die starke Rührung ein Wechsel der Morphologie von dendritisch zu globular zu beobachten war. Die Untersuchungen zum Einfluss der starken Schmelzkonvektion wurden auf ein weiteres peritektisch erstarrendes System ausgedehnt, um eine generalisierte Aussage zum Einfluss der Konvektion auf Gefüge und Eigenschaften peritektisch erstarrender Legierungen zu erhalten. Die ausgewählte Ti45Al55 - Legierung erstarrte unter starker Schmelzkonvektion ebenfalls globulitisch, wobei Reste dendritisch erstarrter properitektischer Phase gefunden wurden. Der Volumenanteil der properitektischen Phase steigt dabei mit zunehmender Rührwirkung an. Der Wechsel der Morphologie von dendritisch zu globular/dendritisch kann mit sphärischem Wachstum oder Fragmentierung der Dendritenarme erklärt werden. Die mechanischen Eigenschaften unter unterschiedlicher Schmelzkonvektion erstarrter Ti45Al55 – Legierung wurden bei Druckversuchen untersucht. Es wurde eine signifikant höhere plastische Verformbarkeit an der unter starker Schmelzkonvektion erstarrten Ti45Al55 – Legierung gefunden. Dies wird der isotropen spherischen Morphologie der lamellaren a2/g-Phase zugeordnet, während die anisotrope Orientierung der dendritisch- lamellaren Phase unerwünschte plastische Eigenschaften zeigt. Die Untersuchungen des Einflusses der Schmelzkonvektion auf das Gefüge peritektisch erstarrender Legierungen zeigten, dass ein maßgeschneidertes Gefüge durch optimale Wahl der Schmelzkonvektion möglich ist und damit magnetische bzw. mechanische Eigenschaften verbessert werden können. Die Kontrolle der Schmelzkonvektion ist daher ein geeignetes Mittel gewünschte Gefüge und Eigenschaften in Abhängigkeit von den Prozessabläufen einzustellen. / In this work, the effect of melt convection on the microstructure evolution of peritectic Nd-Fe-B and Ti-Al alloy systems was studied using novel techniques. The microstructural formation including the change in volume fraction and morphology of the properitectic phase influences the magnetic and mechanical properties for the Nd-Fe-B and Ti-Al alloy systems, respectively. On the basis of numerical simulations by the research group of Dr. Gunter Gerbeth from Department of Magnetohydrodynamics, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, two types of specially designed facilities were developed where melt convection can be altered by changing a number of parameters. These are: forced rotation facility and modified floating zone facility. According to the numerical simulation, an additional crucible rotation suppresses the internal melt motion significantly during forced rotation experiments, where the molten alloy is rotated at a well-defined frequency. This method was applied during the solidification of Nd-Fe-B alloys with the aim to suppress the volume fraction of undesired soft magnetic a-Fe phase. As a result, the volume fraction of properitectic phase with this method can be reduced up to 38 %. A detailed statistical analysis of secondary dendritic arm spacing (SDAS) measurements of a-Fe showed that the SDAS decreases as the rotational frequency increases and melt convection decreases. The reduction in the phase fraction and SDAS of properitectic phase is attributed to the reduced convective mass transfer under reduced melt motion. At high fluid velocity and low rotational frequency, the stronger interdendritic flow reduces the solute boundary layer and increases the transfer of solute through the interface. The smaller dendrite arms dissolve into the melt and thus the SDAS becomes higher than that of the samples solidified at higher rotational frequencies with reduced melt convection. Floating zone facility, which allows contactless heating without any contamination for highly reactive melts, was modified with a double coil system so that an additional electromagnetic force is introduced inside the melt. This induces either very intensive (two-phase stirrer in parallel connection coil system) or very reduced flow (series connection coil system) inside the melt The experimental results of series connection coil system showed that a reduced melt convection state is achieved near 5.1 mm coil distance where a-Fe volume fraction becomes minimum. On the contrary, the parallel coil system experiments showed that a-Fe volume fraction becomes maximum when the phase shift between the coils is close to 90°. The morphology of the a-Fe becomes globular due to spherical growth under strong convection. The study on the effect of strong stirring was extended to another alloy to get a generalized idea about the influence of melt convection on the microstructure development and resulting properties of peritectic alloys. Peritectic Ti45Al55 alloys were investigated by the two-phase stirrer using the coils connected in parallel to study the effect of enhanced melt convection. The increase in the properitectic phase fraction together with a strong change in the morphology from dendritic to spherical were observed in the stirred samples. The increase in the properitectic phase fraction occurs due to the enhanced effective mass transfer under strong melt convection. The change in morphology of the properitectic phase is attributed to spherical growth or fragmentation of dendrite arms under strong convection. The mechanical properties of Ti45Al55 alloys, which are solidified at different convection states, were studied. There was a significantly higher plastic deformability of stirred samples compared to unstirred samples. The coarse anisotropic orientation of the dendritic lamellar phase is detrimental for the plastic deformability, which is absent in the stirred samples due to the spherical and discrete morphology of the properitectic phase. This study indicates that tailored microstructure can be obtained either by decreasing (e.g. for Nd-Fe-B alloy) or increasing (e.g. for Ti-Al alloy) the convection state using effective techniques inside the melt to improve the magnetic and mechanical properties, respectively. Thus, controlling convection is a useful way to get favorable microstructure according to the process need.