Das Projekt untersuchte die Abkühlung heißer Metallplatten durch Wasserzerstäubung, um die Wärmeübertragungsmechanismen zu verstehen, die den Abschreckungsprozess steuern, und um zuverlässige Daten für die Prozesssimulation zu erhalten. Die Experimente wurden mit Aluminium- (AA6082), Kupfer- und Nickelplatten von 3 mm und 5 mm Dicke durchgeführt. Ein Sprühdüsenfeld lieferte Wasserstrahlen mit einer Geschwindigkeit von 1,3-1,8 m s-¹, mit einem Düsenwinkel von 45° und einer Blechgeschwindigkeit von 10-120 mm s-¹. Die Wassertemperatur wurde von 19 °C bis 60 °C variiert und die Wasserqualität wurde kontrolliert, um ihren Einfluss auf das Siedeverhalten zu untersuchen. Eine hochauflösende Infrarotkamera (0,687 mm Pixel-¹) zeichnete die Oberflächentemperaturverteilung auf, was die Berechnung lokaler Wärmeströme und die Erstellung von Siedekurven für das Keimsieden und das Übergangssieden ermöglichte. Die Daten wurden mit parabolischen Näherungen angepasst, die als Randbedingungen in der Fourier-Differentialgleichung für die Erstarrung verwendet werden können.
Die wichtigsten quantitativen Ergebnisse sind in der Tabelle für AA6082 zusammengefasst. Als die Plattengeschwindigkeit von 40 auf 120 mm s-¹ erhöht wurde, stieg der maximale Wärmestrom (qₘₐₓ) von etwa 10 MW m-² auf 421 MW m-², während die Temperatur beim Einsetzen des Übergangssiedens (T_DNB) von etwa 10 °C auf 4 °C sank. Die Strahlgeschwindigkeit hatte einen ähnlichen Effekt: Eine Erhöhung der Strahlgeschwindigkeit von 1,3 auf 1,8 m s-¹ erhöhte qₘₐₓ und verringerte die Wahrscheinlichkeit des Ausstoßens. Höhere Wassertemperaturen hingegen verringerten den Wärmefluss und erhöhten die Wahrscheinlichkeit eines Ausstoßes. Auch die Plattendicke spielte eine entscheidende Rolle: 5 mm dicke Platten ergaben höhere qₘₐₓ-Werte als 3 mm dicke Platten, was bestätigt, dass die thermische Masse der Platte die gesamte Wärmeübertragungsrate dominiert. Gepulste Kühlexperimente mit einer 5 mm Aluminiumplatte zeigten, dass intermittierende Strahlen das Ausstoßen unterdrücken und gleichzeitig hohe Kühlraten aufrechterhalten können. Die Studie hat auch gezeigt, dass Kupfer- und Nickelplatten die gleichen qualitativen Trends aufweisen, so dass ein breiter Datensatz zur Verfügung steht, der auf eine Reihe von industriellen Legierungen anwendbar ist.
Die experimentellen Daten wurden verwendet, um eine Datenbank mit lokalen Wärmestrom- und Temperaturfeldern zu erstellen, die direkt in Finite-Differenzen- oder Finite-Elemente-Modelle der Erstarrung eingefügt werden können. Die daraus resultierenden Siedekurven, die sowohl das Keimsieden als auch das Übergangssieden erfassen, bieten Verfahrenstechnikern genaue Randbedingungen für die Vorhersage der Mikrostrukturentwicklung während der schnellen Abkühlung. Im Rahmen des Projekts wurde auch eine Reihe von Leitlinien für die Auswahl von Sprühparametern erstellt, die das Ausstoßen minimieren, ein wichtiges Anliegen beim industriellen Abschrecken. Kleine und mittlere Unternehmen (KMUs) profitieren von den verbesserten Prozesssimulationswerkzeugen und den klaren Empfehlungen zu Düsengeometrie, Strahlgeschwindigkeit und Wassertemperatur, die Fehler reduzieren und die Produktqualität verbessern.
Die Forschung wurde von der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg in Zusammenarbeit mit Industriepartnern durchgeführt. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 21454 BR 1 gefördert und lief von 2023 bis 2025. Zu den Transferaktivitäten gehörten eine Demonstration des Versuchsaufbaus für Industriepartner, geplante Workshops für KMU und ein realistischer Transferplan, der bereits als machbar bewertet wurde. Die Ergebnisse des Projekts – hochauflösende Abkühlungsdaten, Siedekurvenmodelle und validierte Simulationsinputs – können daher von Herstellern übernommen werden, die ihre Abschreckprozesse optimieren und kostspielige Defekte, wie z.B. Auswurf, reduzieren wollen.