Röntgenradioskopische Bildgebungsverfahren ermöglichen es, ein besseres Verständnis der zweiphasigen Strömungsphänomene und der Prozesse der Mikrostrukturentstehung während der Erstarrung in Metallschmelzen intuitiv zu gewinnen, da diese Verfahren die innere Gestalt der sonst undurchsichtigen Flüssigkeiten abbilden. In der vorliegenden Arbeit wurden dazu Untersuchungen zu zwei unterschiedlichen Teilaufgaben durchgeführt. Zum einen wurde die Dichteverteilung in dünnen Erstarrungsproben in Echtzeit und in-situ mit räumlichen Auflösungen von wenigen Mikrometern untersucht, um den Einfluss natürlicher und erzwungener Schmelzenströmungen auf die Erstarrung einer binären Gallium-Indium-Metalllegierung experimentell nachzuweisen. Zum anderen wurden Gasblasenströmungen in nichttransparenten Metallschmelzen nicht-invasiv und in-situ visualisiert und charakterisiert, um Kenntnis der Eigenschaften und der Bewegung von Argon-Einzelblasen und Blasenketten in flüssigem Gallium-Indium-Zinn ohne und unter dem Einfluss eines externen magnetischen Feldes zu erlangen. Diese experimentellen Untersuchungen wurden mit einem Mikrofokus-Röntgenbildgebungssystem durchgeführt. Die Implementation angepasster Bildverarbeitungs-algorithmen ermöglichte die präzise quantitative Vermessung der dendritischen Strukturparameter und der Wachstumsgeschwindigkeiten. Die Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze vor der Erstarrungsfront wurden durch Berechnung des optischen Flusses in den Röntgenbildsequenzen vermessen. Thermosolutale Konvektionsbewegungen und der Einfluss magnetisch angetriebener erzwungener Schmelzenströmung auf die Gefügeentstehung konnten durch die Röntgenvisualisierung nachgewiesen werden. Die lokale Akkumulation angereicherter Schmelze, das Aufschmelzen von Dendritenarmen und das Entstehen von Entmischungskanälen im Zweiphasengebiet hinter der Erstarrungsfront wurden unmittelbar beobachtet. Für die Untersuchung des Verhaltens von Gasblasen in einer schmalen Flüssigmetall-Blasensäule wurde das Röntgenbildgebungssystem modifiziert. Das ermöglichte die Vermessung der Gasblasengrößen, der Trajektorien und der Geschwindigkeiten zur Charakterisierung der Blasenströmungen. Die Abhängigkeit der Gasblasengrößen von der Benetzung der Mündungsöffnung wurde gezeigt. Vergleichsexperimente im Gas-Wasser-System verdeutlichten die signifikanten Unterschiede der zweiphasigen Gas-Flüssigmetall-Strömungen. / X-ray radioscopic imaging methods enables one to intuitively gain a better understanding of the two-phase flow phenomena and the processes of microstructure formation during solidification in molten metals, as these methods depict the internal shape of the otherwise opaque liquids. In the present work, investigations were carried out on two different subtasks. On one hand, the density distribution in thin solidification samples was investigated in real time and in-situ with a spatial resolution of a few micrometers in order to demonstrate experimentally the influence of natural and forced melt flow on the solidification of a binary gallium-indium (GaIn) metal alloy. On the other hand, gas bubble flows in non-transparent metal melts were visualized and characterized non-invasively and in-situ in order to gain knowledge of the properties and the movement of individual argon bubbles and bubble chains in liquid gallium-indium-tin (GaInSn) without and under the influence of an external magnetic field. These experimental studies were performed with a microfocus X-ray imaging system. The implementation of adapted image processing algorithms enabled the precise quantitative measurement of the dendritic structure parameters and the growth rates. The flow velocities in the melt in front of the solidification front were measured by calculating the optical flow in the X-ray image sequences. Thermosolutal convection and the influence of magnetically driven forced melt flow on the formation of the structure could be demonstrated by the X-ray visualization. The local accumulation of enriched melt, the melting of dendrite arms and the emergence of segregation channels in the two-phase area behind the solidification front were observed directly. The X-ray imaging system was modified to study the behavior of gas bubbles in a narrow column of liquid metal bubbles. This made it possible to measure the gas bubble sizes, the trajectories and the velocities to characterize the bubble flows. The dependence of the gas bubble sizes on the wetting of the nozzle opening was shown. Comparative experiments in the gas-water system clearly revealed the significant differences in two-phase gas-liquid metal flows.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:72469 |
| Date | 20 October 2020 |
| Creators | Boden, Stephan |
| Contributors | Hampel, Uwe, Schlüter, Michael, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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