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Modeling of solute-driven resolidification in Al-Cu alloys inspired by false-bottom ice formation in seawater

Nizovtseva, Irina und Fang, Yindong und Becker, Maike und Bellenbaum, Nils und Sondermann, Elke und Kargl, Florian und Lippmann, Stephanie (2026) Modeling of solute-driven resolidification in Al-Cu alloys inspired by false-bottom ice formation in seawater. Materials Science and Engineering Congress 2026, 2026-09-29, Darmstadt, Germany.

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Kurzfassung

The formation of false-bottom ice beneath melting sea ice provides a natural example of phase evolution governed by coupled heat and solute transport [1]. Inspired by this phenomenon, we investigate Al–Cu alloys as a controlled model system for studying partial melting, solute redistribution and resolidification. The analogy is based on phase equilibrium, concentration gradients and evolving solid–liquid regions, while differences in material properties and boundary conditions are retained.

We combine established analytical moving-boundary descriptions with experimental observations. In the false-bottom model, a quasi-equilibrium mushy layer is bounded by two moving interfaces, whose evolution follows from interfacial heat and solute balances [1]. The model provides predictions of interface motion, layer thickness, temperature and salinity distributions, solid fraction and heat exchange. We discuss the relevance of these results to metallic model experiments and the adaptations required for their quantitative comparison. Phase-field modeling from earlier Al–Cu studies provides a complementary description of solute redistribution [2].

Published experiments on compositionally graded Al–Cu samples subjected to isothermal holding established the experimental starting point [2]. The current Jena–DLR work extends these investigations to in-situ X-ray radiography during partial melting and holding in a temperature gradient, complemented by microscopy and elemental analysis after cooling. The observations reveal moving interfaces and evolving structural features, while the resulting samples provide concentration gradients for subsequent investigations.

Together, these approaches provide a basis for quantitative testing of moving-boundary models and guide further experiments on samples with characterized concentration profiles. The work connects a natural ice-growth phenomenon with controlled studies of phase transformations in metallic alloys.

References:

[1] D. V. Alexandrov and I. G. Nizovtseva, “To the theory of underwater ice evolution, or nonlinear dynamics of ‘false bottoms’,” International Journal of Heat and Mass Transfer 51 (2008), 5204–5208. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.11.061. [2] I. Nizovtseva, V. Ankudinov, E. Rahner and S. Lippmann, “Climate related phase transitions with moving boundaries by virtue of mushy zone investigation in Al–Cu: Experiment and phase-field modeling,” Mathematical Methods in the Applied Sciences 47 (2024), 6853–6867. DOI: 10.1002/mma.9901.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/227887/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Modeling of solute-driven resolidification in Al-Cu alloys inspired by false-bottom ice formation in seawater
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Nizovtseva, IrinaFriedrich Schiller University JenaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Fang, YindongFriedrich Schiller University JenaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Becker, MaikeMaike.Becker (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6732-5411NICHT SPEZIFIZIERT
Bellenbaum, Nilsnils.bellenbaum (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sondermann, Elkeelke.sondermann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-5935-8945NICHT SPEZIFIZIERT
Kargl, FlorianFlorian.Kargl (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-9902-0420NICHT SPEZIFIZIERT
Lippmann, StephanieFriedrich Schiller University JenaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:29 September 2026
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Solidification, melting
Veranstaltungstitel:Materials Science and Engineering Congress 2026
Veranstaltungsort:Darmstadt, Germany
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsdatum:29 September 2026
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R FR - Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Materialdesign und neue Materialien
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Frontier Materials auf der Erde und im Weltraum > Metallische Werkstoffe und Prozesse
Hinterlegt von: Sondermann, Elke
Hinterlegt am:27 Okt 2026 10:34
Letzte Änderung:27 Okt 2026 10:34

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