UDK 620.179.1:669.017:620.18 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 35(1-2)73(2001) M. BRUNČKO, I. ANŽEL: PREGLED MERILNIH METOD ZA SPROTNO SPREMLJANJE ... PREGLED MERILNIH METOD ZA SPROTNO SPREMLJANJE USMERJENEGA STRJEVANJA INŽENIRSKIH MATERIALOV A REVIEW OF MEASUREMENT METHODS FOR IN-SITU MONITORING OF DIRECTIONALLY SOLIDIFIED ENGINEERING MATERIALS Mihael Brunčko, Ivan Anžel Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija mihael.brunckoŽuni-mb.si Prejem rokopisa - received: 2000-11-08; sprejem za objavo - accepted for publication: 2000-11-24 Za dosego želenih fizikalnih in mehanskih lastnosti inženirskih materialov je ključnega pomena natančno spremljanje razvoja mikrostrukture pri izdelavi teh materialov. V prispevku je zbran pregled merilnih metod, s katerimi je mogoče kontrolirano spremljanje usmerjenega strjevanja. Predstavljene metode temeljijo na neporušnem in kontinuirnem ugotavljanju vrednosti vplivnih parametrov v bližini strjevalne fronte (GSF - temperaturni gradient na strjevalni fronti, ?SF - hitrost potovanja strjevalne fronte, ?TSF - podhladitev strjevalne fronte, ugotavljanje oblike strjevalne fronte) med samim usmerjenim strjevanjem in jih je mogoče uporabiti raziskovalni in v industrijski praksi. Ključne besede: merilne metode, usmerjeno strjevanje, vplivni parametri strjevanja To achieve the required physical and mechanical properties of engineering materials, accurate monitoring of the microstructure evolution during the process of production is of crucial importance. This paper reviews some methods used for in-situ monitoring of the directional solidification process. Emphasis is given to the methods which allow nondestructive and online monitoring of the influence of parameters in the vicinity of the solidification front (GSF - temperature gradient on the solidification front, ?SF - velocity of the solidification front, ?TSF - supercooling of the solidification front, determination of the interface shape) during the directional solidification process. The methods can be used in research and in industrial applications. Key words: measurement methods, directional solidification, influence of solidification parameters 1 UVOD Na izoblikovanje lite mikrostrukture in pojav morebitnih defektov v njej imajo največji vpliv hitrost strjevalne fronte vSF, temperaturni gradient GSF, podhladitev strjevalne fronte ?TSF in oblika te fronte. Za osnovni študij razvoja mikrostrukture pri strjevanju je zelo primerno usmerjeno strjevanje, kjer lahko z med seboj neodvisnim spreminjanjem GSF in vSF ugotavljamo vpliv teh parametrov na potek strjevanja in razvoj strjene mikrostrukture. Informacije o spreminjanju GSF in vSF vzdolž odlitka dobivamo navadno z merjenjem temperature s termoelementi, ki so nameščeni v njegovi notranjosti ali na stenah kokile. Takšen način merjenja pa ima nekatere omejitve: • merjenje temperature je možno le v določenih točkah v primerunamestitve termoelementov na steno kokile le-ti ne kažejo dejanske temperature v notranjosti odlitka • sama prisotnost termoelementov v bližini strjevalne fronte moti potek strjevanja in lahko izzove nastanek morfološke nestabilnosti (potopitev termoelementov v talino) • opisana metoda ne omogoča vpogleda v mikro-strukturo med njenim razvojem; pri tem nimamo v mislih samo določanja vplivnih parametrov strjevanja MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2 ampak tudi geometrijskih parametrov mikrostrukure (?1, ?2, R, ...). Zaradi tega je potrebno razvijati merilne metode, ki bi med procesom usmerjenega strjevanja omogočale sprotno neporušno merjenje parametrov strjevanja in geometrijskih parametrov mikrostrukture z zadostno natančnostjo, ne da bi pri tem metoda zmotila potek strjevanja. V prispevkuje predstavljen pregled nepo-rušnih metod (Tabela 1), njihov fizikalni princip merjenja, parametri, ki jih metode omogočajo meriti ter njihove prednosti in slabosti. Zahtevnejšemubralcu predlagamo, da se o podrobnejšem opisuposameznih metod pouči v citirani literaturi. 2 SPREMLJANJE POTEKA USMERJENEGA STRJEVANJA Z ULTRAZVOKOM Ena od možnih neporušnih merilnih metod spremljanja strjevalne fronte med kristalizacijo je ultrazvočna signalno-odmevna (pulz - eho) metoda. Položaj in hitrost strjevalne fronte trdo/tekoče med kristalizacijo spremljamo "in situ" z ultrazvočnim ehoskopom. Meritev temelji na merjenjučasa, ki poteče od oddaje ultrazvočnega signala do sprejema odbitih valov na meji trdo/tekoče. Ehoskop je naprava (slika 1), ki s sonde 73 M. BRUNCKO, I. ANZEL: PREGLED MERILNIH METOD ZA SPROTNO SPREMLJANJE ... Tabela 1: Pregled neporušnih merilnih metod Table 1: The review of non-destructive measurement methods MERILNA METODA VPLIVNI PARAMETRI USMERJENEGA STRJEVANJA Gsf Tsf ATsf XSF, VSF Oblika strjevalne fronte Ultrazvok - - - ¦/ ¦/ CCD-kamera ¦/ ¦/ - ¦/ ¦/ Projekcijska radiografija (rentgenski žarki in žarki y) - - - ¦/ ¦/ Merjenje termoelektrične napetosti - Seebeck-ov efekt - - ¦/ - - Sprememba specifične električne upornosti snovi - - - ¦/ - pošlje v odlitek kratek pulz usmerjenih ultrazvočnih valov z visoko frekvenco (100kHz)1. Sondo ultrazvočnega valovanja lahko priključimo na trdni (hladen) ali tekoči (vroč) konec odlitka ali pa na oba konca1. Položaj strjevalne fronte trdno/tekoče izračunamo iz poznanja hitrosti ultrazvočnih valov v trdnem delu odlitka Co in potrebnega časa potovanja odbitega signala x od strjevalne fronte trdno/tekoče: (D Hitrost strjevalne fronte nato določimo s sprotnim merjenjem časovnega spreminjanja lege strjevalne fronte. Metoda omogoča določitev kritičnih parametrov Oddajna enota (Generation Unit) Kontrolna enota (Control Unit) Sprejemna enota (Detection Unit) Spro ilnik (Trigger) Raeunalnik (Computer) Prehodna pomnilna enota (Transient Recorder) i i . | Č ' > ' Pulzni generator (Pulse Generator) Stikalo (Switch) Predojaeevalnik (Preamplifier) v i < Filter (Filter) Strjevalna fronta (Solidification front) Usmerjeno ultrazvoeno valovanje (Guided Ultrasonic Waves) Prestavljalnik (Transducer) ft Č strjevanja za različne morfološke oblike (ravna fronta, celično, dendritno strjevanje) z veliko natančnostjo (10 |jm) v realnem času1. 3 UPORABA TERMOGRAFIJE PRI SPREMLJANJU PROCESA USMERJENEGA STRJEVANJA ZLITIN Spremljanje strjevanja neprozornih kovin in zlitin je možno z napravami za termično zajemanje slike, ki merijo gostoto izsevanega svetlobnega toka. V nadaljnjem procesiranjutransformiramo gostoto svetlobnega toka v temperaturno sliko. Pri teh meritvah je potrebna uporaba kokile iz transparentnega materiala, ki prepušča svetlobno valovanje. Najprimernejši material s takšnimi lastnosti je aerogel. To je porozen material z majhnim koeficientom termične prevodnosti ter z dobro prepustnostjo za vidno in infrardečo svetlobo23. Avtorji v literaturi2 so za spremljanje usmerjenega strjevanja Napetostni regulator (Power Regulator) Sistem za zajemanje podatkov (Data Acquisition System) Zgornji grelec (Top Heater) Kokila iz aerogela (Aerogel Crucible) Spodnji grelec (Bottom Heater) akrena plošča (Copper Plate) Slika 1 : Shematični prikaz ultrazvočne metode Figure 1: Schematic design of ultrasonic method Slika 2: Shematični prikaz naprave za optično spremljanje strjevanja Figure 2: Schematic design of the apparatus for the optical monitoring of the solidification 74 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2 M. BRUNČKO, I. ANŽEL: PREGLED MERILNIH METOD ZA SPROTNO SPREMLJANJE osrednji del vzorca obdali z valjem iz aerogela, tako da je bilo možno merjenje svetlosti vzorca z linijsko CCD -kamero (slika 2). Konverzija sevanja v temperaturo je dokaj zapletena, saj odlitek - merilni objekt ni absolutno črno telo, ampak se mustopnja emisije spreminja s temperaturo. Pri merjenju moramo upoštevati tudi stopnjo emisije objektiva ter drugih elementov, ki so med merilnim objektom ter kamero. Da bi dosegli čimbolj natančno konverzijo sevanja v temperaturo je potrebno umerjanje kamere - kalibracija za vsako zlitino posebej. V viru3 so za evtektično zlitino Al-Si iz krivulje svetlosti ugotovili temperaturo evtektika (na mestu prehoda iz tekoče v trdno fazo se pojavi na krivulji svetlosti prevoj oz. postojišče) in tako direktno položaj strjevalne fronte S/L. Vzrok za nastanek prevoja je mogoče iskati v različnih emisijskih stopnjah tekoče in trdne faze. Iz znanega položaja prevojev na krivulji ter njihove časovne odvisnost nato določimo še hitrost strjevalne fronte S/L. Termično zajemanje slike daje globlji pogled v proces strjevanja, ker lahko proces strjevanja spremljamo in-situ. Možno je direktno merjenje položaja strjevalne fronte S/L, iz katerega lahko ugotovimo, ali je bila hitrost strjevalne fronte konstantna ali pa se je med strjevanjem spreminjala. Z uporabo dodatne kamere je možno spremljati potek strjevanja tridimenzionalno, kar omogoča določitev oblike strjevalne fronte. 4 PROJEKCIJSKA RADIOGRAFIJA Z uporabo rentgenskih žarkov in žarkov ? ter z računalniško tomografijo (tehnika, ki se uporablja v medicini za pregled možganov) lahko prav tako spremljamo lego, hitrost in obliko strjevalne fronte trdno/ tekoče. Naprava za spremljanje procesa usmerjenega strjevanja je v tem primerusestavljena iz rentgenskega izvira ali izvira žarkov ? ter detektorja, ki je nameščen na drugi strani odlitka in šteje število prepuščenih fotonov skozi material (slika3). Izbira radioaktivnega izvira je odvisna od debeline vzorca ter gostote materiala4,5. a) Veliki vzorci Za preiskavo velikih vzorcev (debeline d > 1mm) uporabimo izvir žarkov ? (radioizotopi Co60, visoko-energijski linearni pospeševalnik) z energijo fotonov velikostnega razreda nekaj MeV 4. Metoda temelji na štetjufotonov, ki prodrejo skozi odlitek. Usmerjeni curek fotonov se delno absorbira, odbije ali razprši, del pa prodre skozi material. Za koliko se bo zmanjšala gostota žarkov, je v veliki meri odvisno od gostote materiala v kokili. Navadno je gostota kovin v trdnem agregatnem stanjuza 4 do 12% večja kot pa v tekočem agregatnem stanju. Zaradi spreminjanja deleža trdne in tekoče faze se spreminja razdalja v trdnem in tekočem, skozi katero morajo prodreti fotoni. Z detektorjem štejemo število fotonov, ki prodrejo skozi odlitek. Dolžino tekočega dela odlitka xSF (ali trdnega dela) in s Sistem za zajemanje podatkov (Data Acquisition System) Termoelementi (Thermocouples) Tekoče (Liquid) Strjevalna fronta (Solidification front) Kokila (Crucible) Trdno (Solid) Hladilni elementi (Cooling Unit) Slika 3: Shematični prikaz meritve položaja strjevalne fronte z žarki ? Figure 3: Schematic design of position measurements of solidification front with ? ray tem lego strjevalne fronte določimo z uporabo absorpcijskega zakona4: In N N \i(pS-pL)xS (2) S J N število fotonov, ki so prodrli skozi delno strjen odlitek na detektor Ns število fotonov, ki so prodrli skozi popolnoma strjen odlitek ps-pL razlika gostote materiala med trdno in tekočo fazo li masni absorpcijski koeficient xsf lega strjevalne fronte S pomikanjem in rotacijo kokile lahko določimo lego katerekoli točke na strjevalni fronti, kar nam omogoča s računalniško tomografijo rekonstrukcijo oblike strjevalne fronte. Glavna slabost metode so dolgi časi, potrebni za zajemanje in obdelavo podatkov, kar ne omogoča spremljanje strjevanja v realnem času, ampak v nekajminutnem zamiku. Zaradi izvira žarkov y je treba za zaščito operaterja pred radioaktivnim sevanjem celotno napravo obdati z debelim betonskim plaščem, kar pa močno poslabša možnosti uporabe te metode v industrijske namene. b) Tanki vzorci Opazovanje razvoja mikrostrukture med potekom usmerjenega strjevanja je možno tudi v primeru, ko je vzorec zelo tanek (d < 1 mm) z rentgensko topografije oz. presevno elektronsko mikroskopijo67. Metoda omogoča "in situ" spremljanje razvoja mikrostrukture in MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2 75 M. BRUNČKO, I. ANŽEL: PREGLED MERILNIH METOD ZA SPROTNO SPREMLJANJE vizualizacijo strjevalne fronte trdno/tekoče z veliko hitrostjo ter ločljivostjo < 5um, ne da bi motila toplotni tok v talini. Kot izvir rentgenske svetlobe uporabljamo linearni pospeševalnik z energijo fotonov od 10 do 100 keV 678. Metode presevne mikroskopije so bile do sedaj zelo redko uporabljene pri spremljanju procesov strjevanja zardi kompleksnosti pretvorbe signala v vidno sliko. Pri projekcijski radiografiji je ločljivost omejena s premerom snopa (velikostnega razreda nekaj ujn), povečava pa je odvisna od oddaljenosti med vzorcem in izvirom (a) ter razdalje med vzorcem in detektorjem (b). Povečavo določimo po enačbi: a + b M (3) Projekcijska radiografija omogoča postavitev vzorca med izvir in detektor. Za dosego čim večje povečave je treba kokilo postaviti čim bližje izvirurentgenskih žarkov, kar v praksi zahteva posebno konstrukcijo naprave za usmerjeno strjevanje. V literaturi je opisana uporabo uporovne peči z vodno hlajenim ohišje. Na ohišjuje na mestuopazovanja narejeno okence iz aluminijaste folije, ki je odporno proti visokim temperaturam ter hkrati minimalno zmanjšuje gostoto energijskega toka rentgenskih žarkov. Vzorec se vleče s konstantno hitrostjo, tako nastala strjevalna fronta trdno/tekoče relativno miruje glede na žarek in je v bližini njegovega žarišča. Divergentne rentgenske žarke, ki prodrejo skozi vzorec, sprejmemo z NaI-detektorjem (scintilacijski detektor), ki jih pretvori v vidno sliko, ki jo nato posnamemo s CCD-kamero. Večji mikrostruk-turni elementi bolj prepuščajo rentgenske žarke in so na sliki obarvani temneje, manjši delci pa so lahko popolnoma nevidni, saj oddajo prešibak signal, ki ga ni mogoče zaznati. Pri strjevanjučistih kovin je razlika kontrasta med trdno in tekočo fazo manj kot dva odstotka, kar zelo otežuje uporabo te metode. Večjo razliko kontrasta dosežemo v zlitinah zaradi pojava zlitinskih elementov na strjevalni fronti trdno/tekoče. Velikost kontrasta je proporcionalna z razliko med Gibljiva peč (Moving furnace) Mirujoča peč (Fixed furnace) Ponor toplote (Heat sink) 177 S -H-> L S atomskimi števili posameznih elementov in njihovo koncentracijo v zlitini8. Takšna naprava omogoča namestitev vzorca 3 mm od izvira rentgenskih žarkov ter dosego povečave do 160-krat in zato opazovanje mikro-strukturnih elementov premera od 3 do 6 µm 7. 5 MERJENJE PODHLADITVE STRJEVALNE FRONTE SSEEBECKOVO TERMOELEKTRIČNO NAPETOSTJO V literaturi 9,10,11 avtorji navajajo metodo merjenja podhladitve strjevalne fronte, ki temelji na principu delovanja termoelementa. Vzorec, sestavljen iz tekočega in trdnega dela, predstavlja termoelement, v katerem se zaradi različnih termoelektričnih lastnosti trdne in tekoče faze pojavi termoelektrična napetost. Merjenje podhladitve strjevalne fronte je izvedeno z napravo za usmerjeno strjevanje, ki omogoča, da ustvarimo na vzorcudve strjevalni fronti: stacionarno ter pomikajočo (slika 4). V vzorcuse med usmerjenim strjevanjem pojavi naslednja termoelektrična napetost: Š r\dT JA (4) ti absolutni Seebeckov koeficient Ob predpostavki, da sta Seebeckova koeficienta v trdnem n.S in tekočem rjL konstantna v temperaturnem območju (Teq, T1=Teq+AT), je termoelektrična napetost enaka10'11: ES=iiS(T1-T0)+TIL(Teq-T1)+T1S(T0-Teq) = = (T\S-T\L)AT ES =r\SLAT (5) V primeru monokristalne mikrostrukture z ravno strjevalno fronto je podhladitev taline direktno proporcionalna izmerjeni termonapetosti (izraz 5). Pri spremembi oblike strjevalne fronte iz ravne v celično ali dendritno pa podhladitev taline ni več proporcionalna izmerjeni termonapetosti. Pojav mej kristalnih zrn, izločanje drugih faz (evtektik, monotektik, ...) v mikrostrukturi in fasetirana morfologija rasti prav tako pomembno vplivajo na obliko Seebeckovega signala. Grelni elementi (Heating Unit) Hladilni elementi (Cooling Unit) Slika 4: Merjenje termoelektrične napetosti Figure 4: Measurement of thermoelectric voltage Slika 5: Shematični prikaz meritve Figure 5: Schematic design of measurement a 76 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2 M. BRUNČKO, I. ANŽEL: PREGLED MERILNIH METOD ZA SPROTNO SPREMLJANJE Tako je treba za vsako posamezno morfologijo strjevanja razviti poseben model, ki upošteva vpliv anomalij mikrostrukture na velikost Seebeckovega signala. Metoda merjenja ne moti strjevanja, saj skozi vzorec ne teče tok iz zunanjega izvira. Kljub temu ima ta metoda nekatere omejitve; običajno imajo kovine in zlitine majhno razliko Seebeckovega koeficienta ob fazni transformaciji trdno/tekoče, zato so potrebna natančna merjenja in dragi merilni instrumenti, kot tudi precizno načrtovanje same naprave za usmerjeno strjevanje. 6 MERJENJE SPREMEMBE SPECIFIČNE ELEKTRIČNE UPORNOSTI VZORCA Specifična električna upornost večine kovin v tekočem agregatnem stanjutik nad temperaturo tališča je od 1,5-do 2,3-krat večja od upornosti kovin v trdnem agregatnem stanjutik pod temperaturo tališča1213. Zaradi spremembe deležev trde in tekoče faze med usmerjenim strjevanjem se spreminja tudi specifična upornost odlitka (slika 5): Podlitka= x L-pS+fl- x L}pL (6) Ob znani dolžini odlitka L in njegovi izmerjeni specifični upornosti podlitka je položaj strjevalne fronte enak: xSF=L-------PL- (7) 9l Za specifični upornosti trdne pS in tekoče pL faze smo v literaturi9 našli predpostavko, da sta temperaturno neodvisni, kar bistveno poenostavi meritev, vendar pa tudi poslabša njeno natančnost. Ob upoštevanju temperaturne odvisnosti specifične upornosti trdne in tekoče faze je možno model še izboljšati, kar omogoča reprezentativnejše merjenje položaja in hitrosti strjevalne fronte. Za merjenje spremembe specifične električne upornosti se navadno uporablja štiritočkovna metoda s katero ločimo tokovne in napetostne kontakte in s tem zmanjšamo napako zaradi upornosti merilnih žic v primerjavi z osnovno dvožično metodo. Da se izognemo vplivom termonapetosti na merjeno el. upornost, izvedemo meritev v obeh polaritetnih smereh toka skozi vzorec (el. upornost vzorca je enaka povprečju obeh meritev)14. 7 SKLEPI Neporušne metode s svojo ločljivostjo in odzivnostjo omogočajo spremljanje vplivnih parametrov strjevanja (Vsf, GSF, ATSF) v bližini strjevalne fronte trdno/tekoče, kot tudi oblike razvijajoče se mikrostrukture. Z njimi lahko uspešno "in situ" ugotavljamo nastanek morfološke nestabilnosti (prehod iz ravne strjevalne fronte v celično) in merimo geometrijske mikrostrukturne parametre (Ai, X2, R, ...), ki določajo fizikalne in mehanske lastnosti materiala. Slabost obravnavanih metod pa je, da dajejo reprezentativne rezultate le v primeru enovite mikrostrukture (ravna strjevalna fronta, monokristalno strjevanje), pri pojavu kompleksne mikrostrukture (celična in dendritna morfologija, pojav kristalnih mej ter drugih defektov) pa je interpretacija merjenega signala dokaj zapletena. Zato se v praksi uveljavlja uporaba kombinacije posameznih metod (npr.: projekcijska radiografija se uporablja v kombinaciji z merjenjem spremembe termoelektrične napetosti ali z merjenjem spremembe specifične upornosti vzorca), ki bi omogočile tem lažje ocenjevanje vpliva posameznih mikrostrukturnih elementov na merjeni signal, kar pa bistveno vpliva na ceno merilne metode. 8 LITERATURA 1 M. Schmachtl, A. Schievenbusch, G. Zimmermann, W. Grill, Ultrasonics, 38, (1998), 291 2 T. Buchholz, J. Alkemper, K. Murakami, L. Ratke, Materials Science Forum, 215-216, (1996), 291 3 J. Altkemper, S. Sous, C. Stöcker, L. Ratke, Journal of Crystal Growth, 191, (1998), 252 4 J. H. Chun, R. C. Lanza, N. Saka, M. M. Hytros, Annals of the CIRP, 44, (1995), 1, 181 5 J. H. Chun, N. Saka, M. Hytros, R. C. Lanza, M. Jureidini, Monitoring the Solidification of Metal Castings, E-Lab online, 1998, April - June, 1-5, cited 2000-02-16. Available from www: http://web. mit.edu/energylab/www/e-lab/apr-june98/art2.html 6 G. Grange, J. Gastaldi, C. Jourdan, B. Billia, Journal of Crystal Growth, 151, (1995), 192 7 P. A. Curreri, W. F. Kaukler, S. Sen, P. Peters, Application of Real-Time X-Ray Transmission Microscopy to Fondamental Studies of Metal Alloy Solidification, Spacebound97, Materials Science, (1997), cited 2000-05-23. Available from www: http://www.science. sp-agency.ca/Spacebound97/Materials-Science/Curreri/curreri.htm 8 W. F. Kaukler, P. A. Curreri, X-ray microscope for metal solidification studies, cited 2000-05-16, available from www: http://www.ssl.msfc.nasa.gov/ssl/msad/xray/xraypg4.htm 9 A. Rouzaud, J. J. Favier, D. Thevenard, Adv. Space Res., 8, (1988),12, 49 10 J. J. Favier, A. Rouzaud, Adv. Space. Res., 6, (1986), 5, 111 11 R. Abbaschian, H. Groh III, E. Leonardi, V. Timchenko, G. V. Davis, Materials Science Forum, 329-330, (2000), 235 12 T. Iida, R. I. L. Guthrie, The Physical Properties of Liquid Metals, 2nd ed., Clarendon Press, Oxford 1993, 232 13 S. Spai}, Fizikalna metalurgija 1, Fakulteta za naravoslovje in tehnologijo, Oddelek za montanistiko, Ljubljana, 1996, 135 14 F. Nava, K. N. Tu, O. Thomas, J. P. Senateur, R. Madar, A. Borghesi, G. Guizzetti, Materials Science Reports, 9, (1993), 141 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 1-2 77