Die neuesten Forschungen zu Metallen und Materialien des emeritierten Professors Martin Glicksman vom Florida Institute of Technology haben Auswirkungen auf die Gießereiindustrie, stehen aber auch in enger persönlicher Verbindung zur Inspiration zweier verstorbener Kollegen.googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
Gliksmans Studie „Surface Laplaceian of the interfacial thermochemical Potential: its Role in the Formation of the Regime of Solid and Liquid Phases“ wird in der Novemberausgabe der Gemeinschaftszeitschrift Springer Nature Microgravity veröffentlicht.Die Erkenntnisse könnten zu einem besseren Verständnis der Verfestigung von Metallgussteilen führen und es Ingenieuren ermöglichen, langlebigere Triebwerke und stärkere Flugzeuge zu bauen und die additive Fertigung voranzutreiben.
„Wenn man an Stahl, Aluminium und Kupfer denkt – alles wichtige technische Materialien, Guss, Schweißen und Primärmetallproduktion – handelt es sich um milliardenschwere Industrien von großem gesellschaftlichem Wert“, sagte Glicksman.„Sie werden verstehen, dass es um Materialien geht und dass selbst kleine Verbesserungen wertvoll sein können.“
So wie Wasser beim Gefrieren Kristalle bildet, geschieht etwas Ähnliches, wenn geschmolzene Metalllegierungen zu Gussstücken erstarren.Gliksmans Forschung zeigt, dass während der Erstarrung von Metalllegierungen die Oberflächenspannung zwischen Kristall und Schmelze sowie Änderungen in der Krümmung des Kristalls während seines Wachstums selbst an festen Grenzflächen einen Wärmefluss verursachen.Diese grundlegende Schlussfolgerung unterscheidet sich grundlegend von den in der Gusstheorie üblicherweise verwendeten Stefan-Gewichten, bei denen die von einem wachsenden Kristall abgegebene Wärmeenergie direkt proportional zu seiner Wachstumsrate ist.
Gliksman bemerkte, dass die Krümmung eines Kristallits sein chemisches Potenzial widerspiegelt: Eine konvexe Krümmung senkt den Schmelzpunkt leicht, während eine konkave Krümmung ihn leicht anhebt.Dies ist in der Thermodynamik wohlbekannt.Neu und bereits nachgewiesen ist, dass dieser Krümmungsgradient beim Erstarren einen zusätzlichen Wärmefluss verursacht, der in der traditionellen Gießtheorie nicht berücksichtigt wurde.Darüber hinaus sind diese Wärmeflüsse „deterministisch“ und nicht zufällig wie zufälliges Rauschen, das im Prinzip während des Gießprozesses erfolgreich kontrolliert werden kann, um die Mikrostruktur der Legierung zu verändern und die Eigenschaften zu verbessern.
„Wenn man komplexe kristalline Mikrostrukturen eingefroren hat, gibt es einen krümmungsbedingten Wärmefluss, der kontrolliert werden kann“, sagte Gliksman.„Wenn diese Wärmeflüsse in echten Legierungsgussteilen durch chemische Zusätze oder physikalische Effekte wie Druck oder starke Magnetfelder gesteuert werden, können sie die Mikrostruktur verbessern und letztendlich Gusslegierungen, Schweißstrukturen und sogar 3D-gedruckte Materialien steuern.“
Neben ihrem wissenschaftlichen Wert war die Studie für Glixman von großer persönlicher Bedeutung, was zum großen Teil der hilfreichen Unterstützung eines verstorbenen Kollegen zu verdanken war.Einer dieser Kollegen war Paul Steen, Professor für Strömungsmechanik an der Cornell University, der letztes Jahr starb.Vor einigen Jahren half Steen Glicksman bei seiner Forschung zu Materialien in der Mikrogravitation mithilfe der Fluidmechanik und Materialforschung des Space Shuttles.Springer Nature widmete Steen die Novemberausgabe von Microgravity und kontaktierte Gliksman, um ihm zu Ehren einen wissenschaftlichen Artikel über die Studie zu schreiben.
„Das hat mich dazu veranlasst, etwas Interessantes zusammenzustellen, das Paul besonders zu schätzen wissen würde.Natürlich interessieren sich viele Leser dieses Forschungsartikels auch für den Bereich, zu dem Paul beigetragen hat, nämlich die Grenzflächenthermodynamik“, sagte Gliksman.
Ein weiterer Kollege, der Gliksman zum Schreiben des Artikels inspirierte, war Semyon Koksal, Professor für Mathematik, Abteilungsleiter und Vizepräsident für akademische Angelegenheiten am Florida Institute of Technology, der im März 2020 starb. Gliksman beschrieb sie als eine freundliche, intelligente Person, die eine Freude war Gesprächspartner und bemerkte, dass sie ihm geholfen habe, sein mathematisches Wissen auf seine Forschung anzuwenden.
„Sie und ich waren gute Freunde und sie interessierte sich sehr für meine Arbeit.Semyon hat mir geholfen, Differentialgleichungen zu formulieren, um den durch Krümmung verursachten Wärmefluss zu erklären“, sagte Gliksman.„Wir haben viel Zeit damit verbracht, meine Gleichungen und ihre Formulierung, ihre Grenzen usw. zu besprechen. Sie war die einzige Person, die ich konsultierte, und sie war mir sehr hilfreich bei der Formulierung der mathematischen Theorie und half mir, sie richtig zu machen.“
Weitere Informationen: Martin E. Gliksman et al., Surface Laplaceian of the interfacial thermochemical potential: its role in the formation of the solid-liquid mode, npj Microgravity (2021).DOI: 10.1038/s41526-021-00168-2
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