Kim, Hyeon-Cheol;Lee, Jae-Hyeon;Seo, Seong-Mun;Kim, Du-Hyeon;Jo, Chang-Yong
Korean Journal of Materials Research
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v.11
no.9
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pp.721-726
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2001
Directional solidification experiments have been carried out at the solidification rates from 0.5 to 50$\mu\textrm{m}$/s in Mar M-247LC superalloy in which several important liquid properties were estimated by analyzing the interface stability and temperature gradient at the solid/liquid interface. The diffusion coefficient in the liquid was estimated by employing the constitutional supercooling criterion. The temperature gradients changed with solidification rates and latent heat of solidification. The thermal conductivities of solid and liquid could be estimated by heat flux balance at the solid liquid interface.
Unidirectional solidification of $Al-CuAl_2$ eutectic composites was studied under the condition of forced convection by vibration. It has been shown that thermal gradient for solid is different from that for liquid during solidification under force convection by vibration. With increase of vibration, mobility of liquid increases, but decreases with decreasing vibration. The rate of solidification is very high initially, and decreases suddenly. For further solidification, the rate of solidification decrceases slowly, and shows a L-type behavior. The mechanical vibration during solidification effects efficiently on nucleation, and induces a forced convection in liquid. By the forced convection, great thermal gradient of liquid interface between solid and liquid can be obtained. The amount of solute near the interface also decreases as solute distribution is improved by the forced convection.
A ribbon-type polycrystalline silicon wafer was directly fabricated from liquid silicon via a novel technique for both a fast growth rate and large grain size by exploiting gas pressure. Effects of processing parameters such as moving speed of a dummy bar and the length of the solidification zone on continuous casting of the silicon wafer were investigated. Silicon melt extruded from the growth region in the case of a solidification zone with a length of 1cm due to incomplete solidification. In case of a solidification zone wieh a length of 2 cm, on the other hand, continuous casting of the wafer was impossible due to the volume expansion of silicon derived from the liquid-solid transformation in solidification zone. Consequently, the optimal length of the solidification zone was 1.5 cm for maintaining the position of the solid-liquid interface in the solidification zone. The silicon wafer could be continuously casted when the moving speed of the dummy bar was 6 cm/min, but liquid silicon extruded from the growth region without solidification when the moving speed of the dummy bar was ${\geq}$ 9 cm/min. This was due to a shift of the position of the solid-liquid interface from the solidification zone to the moving area. The present study reports experimental findings on a new direct growth system for obtaining silicon wafers with both high quality and productivity, as a candidate for an alternate route for the fabrication of ribbon-type silicon wafers.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.2
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pp.348-355
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1992
Casting structures and properties are determined by the solidification speed in the metal mold. The heat transfer characteristics of the interface between the mold and the casting is one of the major factors that control the solidification speed. According to Sully's research, the thermal resistance exists due to the air-gap formation at the mold-casting interface during the freezing process and the interface heat transfer coefficient is used to describe the degree of it. In this study, one-dimensional Stefan problem with air-gap resistance in the cylindrical geometry is considered and heat transfer characteristics is numerically examined. The temperature distribution and solidification speed are obtained by using the modified variable time step method. And the effects of the major parameters such as mold geometry, thermal conductivity, heat transfer coefficient and initial temperature of casting on the thermal characteristics are investigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.4
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pp.1095-1101
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1995
Numerical analysis of vertical solidification process allowing solid-liquid density change is performed by a hybrid method between a winite volume method (FVM) and a finite element method (FEM). The investigation focuses on the influence of solid-liquid density change and cooling rates on the motion of solid-liquid interface, solidified mass fraction, temperatures and thermal stresses in the solid region. Due to the density change of pure aluminium, solid-liquid interface moves more slowly but the solidified mass fraction is larger. The cooling rate of the wall is shown to have a significant influence on the phase change heat transfer and thermal stresses, while the density change has a small influence on the motion of the interface, solidified mass fraction, temperature distributions and thermal stresses. As the cooling rate increases, the thermal stresses become higher at the early stage of a solidification process, but it has small influence on the final stresses as the steady state is reached.
Microstructural characteristics of Al-3.63wt.%Pb hyper-monotectic alloy rapidly-solidified by melt spinning were examined. Possibility of forming a planar liquid -solid interface during rapid solidification of this alloy was also considered with a morphological stability theory, and a mechanism of forming banded structure observed at the bottom parts of melt-spinned specimens was considered as well. Application of the absolute stability criterion predicts the liquid-solid interface of the primary aluminium phase to be able to maintain a planar interface during the early stage of rapid solidification. Formation of banded structure was supposed to be resulted from the release of latent heat during solidification, which affect the stability of a planar liquid-solid interface.
The influences of solidification rates and carbon contents on the formation of the $\delta$-ferrite were studied by directional solidification in modified 12%Cr-l %Mo steels. Directional solidification experimental results showed that solidification microstructure depended on solidification rate and carbon content and chromium equivalent. The length of the mushy zone increased and the dendrite arm spacings decreased as the solidification rate increased. The volume fraction of the 8-ferrite decreased with increasing the solidification rate and carbon content. The volume fraction of the ferrite showed much higher at low solidification rates with planar and cellular interfaces than that at high solidification rates with dendritic interface. It is expected that macro-segregation of C causes lower C content at the lower solidification fraction in the directionally solidified sample, where lower C results in higher volume fraction of the ferrite. In order to estimate solidification microstructure in modified 12Cr-l%Mo steels, various solidification conditions, such as solidification rate, cooling rate, segregation, alloy composition, should be considered.
Directional solidification experiments were carried out at 0.5-150 $\mu\textrm{m}$/s in the Co-base superalloy ECY 768. As increasing solidification rate, the dendrite length increased and it reached the maximum at 150 $\mu\textrm{m}$/s, where the tip temperature is close to the liquidus. The liquidus and eutectic temperatures could be estimated by comparing the dendrite lengths and the temperature gradients at the solid/liquid interface and those were estimated as $1424.6^{\circ}C$ and $1343^{\circ}C$ respectively. Between the dendrites just below final freezing temperature, MC carbide and $M_{23}$$C_{6}$ carbide were found. It was confirmed that the script or blocky shape was Ta or W-rich MC carbide, and the lamellar shape was Cr-rich eutectic carbide. The solid/liquid interface morphology clearly showed that the Cr-rich eutectic carbide formed just after the script type MC carbide.
The effect of Re addition and solidification rate on the directional solidification behavior of Ni-Al model alloy has been investigated. Directional solidification (DS) were carried out using the modified Bridgman furnace with various solidification rates. The solid/liquid interface during directional solidification was preserved by quenching the specimen after the desired volume fraction of original liquid was solidified. The equilibrium partition coefficients of Al and Re Were estimated by measuring the compositions at the quenched solid/liquid interface. Then, the effect of Re addition on the elemental segregation behavior was carefully analyzed. The differential scanning calorimetry results showed that the Re addition results in increased ${\gamma}'$ solvus and freezing range of the alloy. It was also shown that the primary dendrite arm spacing gradually decreases with increasing the Re content, while the secondary dendrite arm spacing appears to be independent on the Re content. The compositional analyses clearly revealed that the segregation of Al increased with increasing the Re content and solidification rate, while that of Re was found to be independent on the solidification rate in the range of $10{\sim}100{\mu}m/s$ due to its sluggish diffusion rate in the Ni solid solution.
Most material of engineering interest undergoes solidification process from liquid to solid state. Identifying the underlying mechanism during solidification process is essential to determine the microstructure of material which governs the physical properties of final product. In this paper, we expand our previous two-dimensional numerical technique to three-dimensional simulation for computing dendritic solidification process with fluid convection. We used Level Contour Reconstruction Method to track the moving liquid-solid interface and Sharp Interface Technique to correctly implement phase changing boundary condition. Three-dimensional results showed clear difference compared to two-dimensional simulation on tip growth rate and velocity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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