Isı enerjisi depolamada kullanılan faz değişim malzemeleri Al-Mg ve Al-Si-Mg alaşımlarının mikroyapı, ısıl iletkenlik ve katı sıvı arayüzey enerjilerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada ısı enerjisi depolamada kullanılan Al-Mg ikili ve Al-Si-Mg üçlü ötektik alaşımlarında, katılaştırma hızının ötektik mikroyapıya etkisi, sıcaklığın katı fazların ısıl iletkenliklerine etkisi ve katı sıvı arayüzey enerjileri incelenmiştir. Al-Mg ötektik alaşımı sabit sıcaklık gradyenti (G_k=12.52K/mm) ve farklı katılaştırma hızlarında (8.31-83.10µm/s) kontrollü olarak doğrusal katılaştırılmıştır. Katılaştırma sonucunda hücresel ve çubuksu olmak üzere iki farklı tür mikroyapı oluşmuştur. Hücresel ötektik mesafe (λ_eh), 6.81-5.12µm aralığında, çubuksu ötektik mesafe (λ_eç), 4.81-1.77µm aralığında artan katılaştırma hızına bağlı olarak azalmıştır. Benzer şekilde Al-Si-Mg üçlü ötektik alaşımıda sabit sıcaklık gradyenti (G_k=10.05K/mm) ve farklı katılaştırma hızlarında (8.31-167.50µm/s) kontrollü olarak doğrusal katılaştırılmıştır. Katılaştırma sonucunda düzensiz ötektik mikroyapılar oluşmuştur. Al-Si fazı için ötektik mesafe (λ_eg) 6.31-1.60µm aralığında, Si+Al+Mg2Si fazı için ötektik mesafe (λ_es) 6.76-1.92µm aralığında artan katılaştırma hızına bağlı olarak azalmaktadır. Radyal ısı akış deney sistemi ile alaşımların katı fazlarının ısıl iletkenlikleri ötektik sıcaklığına kadar ölçülmüştür. Artan sıcaklık ile ısıl iletkenlik değerlerinin azaldığı görülmüştür.Silindirik alaşım numunelerinin radyal ısı akış sisteminde ~27 saat ötektik sıcaklıkta tutulması ile dengelenmiş tane sınır oluk şekilleri elde edilmiştir. Dengelenmiş tane sınır oluk şekilleri kullanılarak Al-Si-Mg alaşımı için Gibbs-Thomson sabiti nümerik metot ile hesaplanmıştır. Hesaplanan Gibbs-Thomson sabiti (Γ) değerinin ve etkin entropi değişim ( ) değerinin kullanılması ile katı-sıvı arayüzey enerjisi (σ_ks) elde edilmiştir.Anahtar Kelimeler: Isı enerjisi depolama, Al-Mg ikili ötektik alaşım, Al-Si-Mg üçlü ötektik alaşım, Isıl iletkenlik, Gibbs-Thomson katsayısı, Katı-sıvı arayüzey enerjisi, Ötektik mesafe, Mikroyapı, Doğrusal katılaştırma.

In this study, the effect of the growth velocity on eutectic microstuructures and the effect of temperatures on the solid phase thermal conductivities and the solid-liquid interfacial energy of the Al-Mg binary and Al-Si-Mg ternary eutectic alloys used in thermal energy storage were investigated.The Al-Mg eutectic alloy was directionally solidified at constant temperature gradient (Gk=12.52 K/mm) and at different growth velocities (8.31-83.10 µm/s). As a result of solidification, two different types of microstructures were formed: cellular and rod eutectic. The cellular eutectic spacing (λeh) decreased in the range of 6.81-5.12µm and the rod eutectic spacing (λeç) decreased in the range of 4.81-1.77µm depending on the increased growth velocity. Similarly, the Al-Si-Mg ternary eutectic alloy was directionally solidified at a constant temperature gradient (G_k = 10.05 K/mm) and at different growth velocities (8.31-167.50 µm/s). The solidification resulted in the form of irregular eutectic structures. The eutectic spacing (λeg) for the Al-Si phase decreased in the range of 6.31-1.60 µm, and the eutectic spacing (λes) for the Si + Al + Mg2Si phase decreased in the range of 6.76-1.92 µm depending on the increasing growth velocity. Thermal conductivity values of the solid phases of the alloys were measured up to eutectic temperatures with the radial heat flow method. It was found that the thermal conductivity values of the alloys decreased with increasing temperatures.The equibrated grain boundary groove (GBG) shapes were obtained by holding the cylindrical alloy samples at the eutectic temparetures in the radial heat flow apparatus for ~27 hours. The Gibbs-Thomson coefficient (Γ) was calculated by using the equlibrated GBG shapes with a numerical method for the Al-Si-Mg alloy. The solid- liquid interface energy, σks, was obtained by using the calculated Γ value and the effective entropy change value ( ).Keywords: Thermal energy storage, Al-Mg binary eutectic alloy, Al-Si-Mg ternary eutectic alloy, Thermal conductivity, Gibbs-Thomson coefficient, Solid-liquid interfacial energy, Eutectic spacing, Microstructure, Directional solidification.