Efecto de la forma de la cavidad sobre la evolución microestructural del aluminio puro en forma eléctrica.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3382 (2023) Citar este artículo

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El refinamiento del grano es una cuestión crucial en los materiales metálicos. Una de las técnicas emergentes para obtener granos equiaxiales es aplicar una corriente eléctrica al metal líquido durante la solidificación. Con este punto de vista, en este artículo se investigó el efecto de la corriente eléctrica sobre el comportamiento de solidificación en varias formas de cavidades de molde. Se utilizaron cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide diseñadas para tener un volumen de cavidad similar. Al aplicar una corriente eléctrica durante la solidificación del aluminio líquido, los granos se refinaron eficazmente con un tamaño de grano de aproximadamente 350 µm para los tres tipos de cavidades. Se observó que el flujo circulante de aluminio líquido tenía una intensidad de velocidad de corte similar en los tres tipos de cavidades, que se sabe que es suficientemente alta (más de cientos de s-1) para inducir la fragmentación de las dendritas, lo que da como resultado núcleos recién generados. La dispersión de los núcleos sobre el aluminio no solidificado se presentó de manera diferente según la forma de la cavidad, lo que influye en la forma final de la zona refinada. La fracción de área de la zona refinada se vio afectada por la relación relativa entre el tiempo de finalización de la solidificación y el tiempo de aplicación de corriente eléctrica. Este estudio proporcionará información sobre el control de los parámetros del proceso cuando se aplica solidificación asistida eléctricamente a un producto real con una forma compleja.

El control de la microestructura es esencial basándose en la comprensión del comportamiento de solidificación en el procesamiento de metales líquidos para obtener alta resistencia y buena ductilidad1,2,3. El comportamiento de solidificación del metal líquido está influenciado por varios factores, como la composición, el flujo de calor en el sistema de solidificación y la calidad del metal líquido. En particular, la velocidad de enfriamiento durante la solidificación es un parámetro clave para determinar la estructura de solidificación4,5. Por ejemplo, cambiar el tamaño o la forma de la cavidad en el molde puede dar como resultado una estructura de solidificación diferente, debido a un cambio en la velocidad de enfriamiento, incluso si el material tiene exactamente la misma composición de aleación. La consideración del gradiente del campo térmico que afecta la estructura de solidificación también es esencial para la producción de formas complejas con piezas de fundición de varios tamaños.

Se han utilizado diversas técnicas, como aditivos químicos6,7,8 y métodos de enfriamiento rápido9,10, para controlar la estructura de solidificación en la industria de la fundición. Los aditivos químicos se han considerado una técnica común para refinar o modificar la fase. El método de enfriamiento rápido también se adopta frecuentemente para obtener una estructura de solidificación fina. Sin embargo, el primero tiene algunas desventajas, a saber, aditivos que decoloran y formación indeseable de defectos, como poros e intermetálicos11,12. Este último tiene limitaciones para aumentar la velocidad de enfriamiento, según el material del molde, la forma del producto y el entorno de trabajo. Para superar estos inconvenientes, se han introducido el tratamiento del metal líquido utilizando energía externa, incluida la vibración mecánica13,14,15, la agitación electromagnética16,17,18,19 y la vibración ultrasónica20,21,22, que pueden ser métodos alternativos para obtener metal líquido. propiedades que cumplen con los requisitos de los productos finales. Recientemente se ha propuesto un método de fundición que utiliza corriente eléctrica como fuente de energía externa23,24,25,26. En este método, se aplica una corriente eléctrica directamente al metal líquido a través de los electrodos durante la solidificación. Se sabe que el refinamiento del grano o la modificación de la fase es el efecto principal cuando se aplica corriente eléctrica al metal líquido. En particular, el refinamiento del grano ha sido confirmado por muchos estudios previos27,28,29 desde 1985, cuando se informó por primera vez de esta técnica30. En varios metales, incluidas las aleaciones de Pb-Sn31,32,33 y las aleaciones de Cu-Bi-Sn34,35, los granos se refinaron eficazmente aplicando una corriente eléctrica durante la solidificación. Por ejemplo, el tamaño de grano de 1700 µm en la aleación Sn-Bi fundida se redujo a aproximadamente 400 µm aplicando una corriente eléctrica durante la solidificación. Actualmente, la investigación sobre el refinamiento del grano en aleaciones de aluminio está atrayendo la atención debido a la creciente demanda de materiales livianos. El tamaño de grano del aluminio puro (Al)27,28,29,36 y α-Al en aleaciones Al-Si37,38 se reduce significativamente al aplicar corriente eléctrica durante la solidificación. Raiger et al.29 informaron que el tamaño del grano del aluminio puro disminuyó aproximadamente un 82% con la aplicación de una corriente eléctrica, en comparación con el tamaño del grano sin la aplicación de corriente eléctrica.

Se han propuesto varias hipótesis, incluida la fragmentación de las dendritas y los efectos del calentamiento Joule, para comprender el efecto de la corriente eléctrica en la solidificación del metal. El efecto de fragmentación de las dendritas se sugiere frecuentemente como una de las principales hipótesis para el refinamiento del grano mediante la aplicación de una corriente eléctrica. Esta hipótesis fue propuesta por investigadores que confirmaron la existencia del flujo forzado de metal líquido, provocado por la fuerza de Lorentz, bajo una corriente eléctrica mediante simulación numérica28,29. Informaron que el flujo forzado de metal líquido debido a la fuerza de Lorentz inducida por la corriente eléctrica podría generar fragmentos de dendritas previamente cultivadas, lo que llevaría al refinamiento del grano mediante el suministro de núcleos adicionales. Wang et al.39 realizaron observaciones in situ de la evolución de la morfología de las dendritas durante la solidificación bajo una corriente eléctrica, basándose en la técnica de imágenes por radiación sincrotrón. Se sugirió que la morfología de las dendritas se modificó mediante el calentamiento Joule en la punta de la dendrita. Li et al.24 también concluyeron que el calentamiento Joule inducido por la corriente mejoraba la tasa de nucleación, lo que resultaba en un refinamiento del grano en el aluminio puro. Sin embargo, el mecanismo subyacente del efecto de la corriente eléctrica sobre la estructura de solidificación sigue siendo controvertido.

Aunque el mecanismo subyacente aún no se ha establecido claramente, se requieren estudios prácticos para considerar esta técnica en la industria real. Ma et al.40 investigaron la estructura de solidificación del aluminio puro con diferentes configuraciones de electrodos. La posición de los electrodos y la distancia entre los electrodos se establecieron como variables. Descubrieron que la porción del área del grano refinado podría verse influenciada por la posición del electrodo. Sin embargo, pocos estudios han considerado la configuración instrumental a través de estudios sistemáticos. Hasta donde sabemos, ningún estudio ha considerado la forma de la cavidad del molde bajo la aplicación de corriente eléctrica durante la solidificación.

Este estudio tiene como objetivo determinar la correlación entre la forma de la cavidad y la estructura de solidificación bajo la aplicación de una corriente eléctrica durante la solidificación. Se seleccionó aluminio puro como material representativo para minimizar diversos factores debidos a los elementos de aleación. Preparamos tres tipos de cavidades con diferentes formas de cavidad mientras fijamos el volumen de la cavidad. Se analizó el efecto de la corriente eléctrica sobre el refinamiento del grano basándose en observaciones macro y microestructurales. También se realizaron modelos numéricos basados en dinámica de fluidos considerando el efecto de la corriente eléctrica sobre el aluminio líquido. Finalmente, se ha discutido el efecto de la corriente eléctrica sobre el comportamiento de solidificación, con especial atención a la forma de la cavidad, basándose en enfoques experimentales y numéricos.

Se prepararon moldes de arena con tres tipos de formas de cavidad, a saber, cilindro, cubo y cuboide, como se muestra en las figuras 1a a c. Para excluir el efecto de la capacidad del aluminio líquido durante la solidificación, el volumen interno de una cavidad se mantiene casi constante, como se muestra en la Fig. 1d. Cada molde tiene una dimensión interior de 60 mm × 120 mm (diámetro × alto) para el cilindro, 70 mm × 70 mm × 70 mm (ancho × profundidad × alto) para el cubo, y 120 mm × 60 mm × 50 mm (ancho × profundidad × alto) para las cavidades en forma de cuboide. En el orden de las cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide, el área superior o inferior aumenta, mientras que el área de la superficie lateral disminuye como se muestra en la Fig. 1d. El fondo interior estaba equipado con una placa de cobre para lograr una solidificación direccional de abajo hacia arriba.

Configuración instrumental para (a) las cavidades en forma de cilindro, (b) en forma de cubo y (c) en forma de cuboide. (d) Volumen y área de superficie de cada forma de cavidad.

Se sumergieron dos electrodos STS304 paralelos en aluminio líquido desde la superficie superior a profundidades de 60, 35 y 25 mm para las cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide, respectivamente. La pared lateral del electrodo se recubrió con alúmina. La distancia entre los electrodos se ajustó a 40 mm en las cavidades con forma de cilindro y cubo, y a 70 mm en la cavidad con forma de cuboide. La temperatura del aluminio líquido durante la solidificación se registró usando un termopar tipo K en la altura media y superior del molde en el centro del diámetro o ancho de cada molde. En la cavidad en forma de cuboide, se midió adicionalmente la temperatura al lado del electrodo para analizar el efecto termogradiente en la dirección x, como se muestra en la Fig. 1c. La tasa de muestreo de temperatura fue de 100 ms/punto y la resolución de temperatura medida fue de 0,1 °C con el sistema de registro de datos (GL240, Graphtech Corporation).

Se fundieron lingotes de aluminio puro comerciales (1,5 kg) (>99,7%) en un horno de fusión de alta frecuencia utilizando un crisol de grafito. Cuando la temperatura del aluminio líquido alcanzó los 760 °C, se llevó a cabo la desgasificación. Después de estabilizar durante 5 minutos, se vertió aluminio líquido en un molde de arena y se insertaron electrodos. El molde de arena y los electrodos se precalentaron a 150 °C para evitar la formación de una capa sólida en la superficie debido a la rápida solidificación. En la solidificación asistida eléctricamente (en adelante, solidificación EA), cuando la temperatura del aluminio líquido alcanzó 665 °C en la altura media del molde, que está cerca de la temperatura de fusión, se aplicó una corriente continua de 300 A durante 108 s. Para reflejar el efecto de los electrodos insertados en el metal líquido, el electrodo se insertó incluso durante la solidificación sin aplicar corriente eléctrica (en adelante, solidificación sin EA). Todos los experimentos de fundición se completaron en un día para minimizar las desviaciones experimentales causadas por diversos factores ambientales, como las condiciones del molde, la temperatura ambiental y la humedad. Por esta razón, el número de experimentos repetitivos se fijó en dos para cada condición experimental.

Una vez completada la solidificación, la muestra se seccionó longitudinalmente paralela a los electrodos para observar la macroestructura (plano YZ). El plano seccionado se grabó con una solución que contenía 20 ml de HCl, 20 ml de HNO3, 20 ml de H2O y 5 ml de HF. La fracción del área refinada se analizó utilizando un software de código abierto ImageJ versión 1.53e (disponible en https://imagej.nih.gov/ij/). Para observar la microestructura, las muestras se molieron mecánicamente a 1 µm y se grabaron electrolíticamente utilizando una solución estándar de Barker a 25 V durante 15 minutos. Se analizaron cinco imágenes por muestra utilizando un microscopio de polarización (NICON ECLIPSE MA200) y el tamaño del grano se midió cuantitativamente utilizando un software de análisis de imágenes (IMT i-solution Inc I Solution DT-L).

El análisis numérico se realizó utilizando COMSOL Multiphysics 5.0 (COMSOL Inc., EE. UU.) para verificar el fenómeno de flujo del aluminio puro líquido al que se aplicó una corriente eléctrica. La ecuación de Navier-Stokes se introdujo como la ecuación que rige el flujo de aluminio puro líquido y se añadió un término de fuerza externa para determinar el efecto de la fuerza electromagnética (es decir, la fuerza de Lorentz). Para aplicar un efecto electromagnético, también utilizamos una forma generalizada de relaciones constitutivas para los campos eléctrico y magnético. Además, se utilizó una ecuación de conservación de energía formulada en términos de temperatura para identificar el calentamiento electromagnético del aluminio líquido. En nuestro artículo anterior se brindan más detalles sobre las ecuaciones (consulte Información complementaria)41. La superficie superior del molde se designó como un límite abierto, mientras que no se aplicó ninguna condición de pared deslizante a otras superficies. Además, se aplicó la condición de flujo de calor por convección para realizar el enfriamiento mediante frío en la superficie inferior del molde. Para los tres tipos de cavidades, el dominio computacional general se discretizó mediante mallas tetraédricas libres (tamaño máximo de 3 mm, tamaño mínimo de 0,03 mm y tasa de crecimiento máxima de 1,13), y se llevó a cabo un estudio numérico utilizando un método dependiente del tiempo. solucionador en un rango de 0 a 15 s.

En la Fig. 2a se presentan las curvas de enfriamiento de solidificación sin EA que se midieron a la altura media del molde para tres tipos de formas de cavidad. El metal líquido comenzó a solidificarse a 660 °C, que es la temperatura de fusión del aluminio puro. Para evaluar la velocidad de enfriamiento macroscópica después de verter aluminio líquido en cada forma de cavidad, la velocidad de enfriamiento se calculó a partir del cambio de temperatura durante 25 s antes de alcanzar la temperatura de fusión de 660 °C en la altura media del molde. Se midió como 1,7, 2,3 y 2,7 °C/s en las cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide, respectivamente (Fig. 2b). El tiempo de finalización de la solidificación se definió como el período mantenido a 660 °C desde el inicio hasta la finalización de la solidificación. Cuanto mayor sea el área inferior o superior y menor la altura del molde (Fig. 1d), más rápida será la velocidad de enfriamiento y más corto será el tiempo de finalización de la solidificación. El cambio en el tiempo de finalización de la solidificación según la forma de la cavidad se puede explicar bien haciendo referencia a la regla de Chvorinov42 modificada, que refleja la diferencia en la forma y el volumen de la cavidad.

(a) Curva de enfriamiento medida a la altura media del molde, y (b) velocidad de enfriamiento de las cavidades en forma de cilindro, cubo y cuboide sin aplicar corriente eléctrica durante la solidificación (solidificación sin EA). La línea continua y discontinua en (a) son los resultados de experimentos repetidos para confirmar la reproducibilidad.

Cuando se aplica una corriente eléctrica al aluminio líquido, se observa una fluctuación en la curva de enfriamiento (Fig. 3a-c). Se observó una temperatura de fusión de 660 °C, lo que equivale a una solidificación sin EA. Aquí, la velocidad de enfriamiento entre 665 °C (la temperatura a la que comienza a aplicarse la corriente eléctrica) y 660 °C (temperatura de fusión) se definió como la velocidad de enfriamiento local para comparar el efecto de la corriente eléctrica en la velocidad de enfriamiento en cada forma de cavidad. Tenga en cuenta que la velocidad de enfriamiento local también se calcula para la solidificación sin EA (Fig. 3d), que difiere de la velocidad de enfriamiento macroscópica que se muestra en la Fig. 2b. La velocidad de enfriamiento local en la solidificación con EA fue mayor que la de la solidificación sin EA en los tres tipos de cavidades (Fig. 3d). Tanto en la solidificación sin EA como con EA, no se observó subenfriamiento en ninguno de los tres tipos de cavidades. Tenga en cuenta que no se observó subenfriamiento, a pesar de que la velocidad de enfriamiento local aumentó inmediatamente después de la aplicación de una corriente eléctrica.

Comparación de la curva de enfriamiento entre la solidificación sin EA y la solidificación con EA de (a) las cavidades en forma de cilindro, (b) de cubo y (c) de forma cúbica. (d) Velocidad de enfriamiento local en cada forma de cavidad.

La macroestructura del plano YZ en solidificación EA y no EA se muestra en la Fig. 4a. En la solidificación sin EA, los granos columnares gruesos, que son estructuras de solidificación típicas, se desarrollan en las cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide. Dado que los granos en la solidificación sin EA tienen forma de columna alargada, se calcularon los ejes mayor y menor del grano para evaluar el tamaño del grano. Como se muestra en la Fig. 4b, las longitudes promedio de los ejes mayor y menor del grano se midieron en ~ 11 mm y ~ 3 mm para los tres tipos de cavidades, respectivamente. La dirección de crecimiento del grano es casi paralela a la dirección de abajo hacia arriba, debido a la solidificación direccional. Por el contrario, en la solidificación de EA, se observaron claramente granos equiaxiales en los tres tipos de cavidades. Los granos columnares observados en la región del fondo durante la solidificación de EA se solidificaron antes de aplicar una corriente eléctrica.

(a) Macroestructura y microestructura en la zona longitudinal (plano YZ). Tamaño de grano promedio: (b) solidificación sin EA (eje mayor y menor) y (c) solidificación con EA (en área refinada). (d) Relación de aspecto del grano en solidificación sin EA y solidificación EA para las cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide.

En la solidificación EA, la morfología de los granos refinados muestra una forma equiaxial tanto en el centro como en las áreas laterales, y los granos se distribuyen uniformemente dentro de la zona refinada, como se muestra en la Fig. 4a. Además, no se observaron diferencias en la morfología del grano según la forma de la cavidad. El tamaño de grano en el área refinada se midió tanto para el centro como para las áreas laterales del plano YZ, y fue similar a aproximadamente 350 µm para cada cavidad (Fig. 4c). Tenga en cuenta que los granos se refinan efectivamente como ~ 350 µm en la solidificación con EA, en comparación con el tamaño de grano de varios milímetros medido en la solidificación sin EA. Además, se confirmó un valor de relación de aspecto más bajo de 1,6 a 1,7 en la solidificación con EA debido a la forma relativamente equiaxial del grano en los tres tipos de formas de cavidad en comparación con 3,3 a 4,6 en la solidificación sin EA (Fig. 4d).

Se realizó una simulación numérica para investigar el efecto de la aplicación de una corriente eléctrica sobre la solidificación basada en la dinámica de fluidos. Cuando se aplica corriente eléctrica al aluminio líquido, se genera un flujo del campo de densidad de la corriente eléctrica en los tres tipos de cavidades; en particular, una línea de corriente del campo de densidad de la corriente eléctrica se desarrolla densamente en la dirección descendente del electrodo (Fig. 5a). Entre los electrodos se formó horizontalmente el campo de densidad de la corriente eléctrica. En el mapa de fuerza de Lorentz (Fig. 5b), la intensidad de la fuerza de Lorentz fue la más alta debajo de los electrodos. Las intensidades máximas de la fuerza de Lorentz desarrollada en el plano XY son 1,90 × 105, 1,50 × 105 y 1,73 × 105 N/mm3 para las cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide, respectivamente.

(a) Mapa de densidad de corriente eléctrica y (b) Mapa de fuerza de Lorentz para las cavidades en forma de cilindro, cubo y cuboide de la simulación numérica.

Los mapas de velocidad 3D del flujo en la Fig. 6 muestran un flujo circulante claro para los tres tipos de cavidades. En estudios anteriores, se informó que el flujo forzado de metal líquido ocurre mediante la aplicación de una corriente eléctrica debido a la interacción de la corriente eléctrica, el campo magnético y la fuerza de Lorentz28,29,41. La configuración del flujo circulante depende de la forma de la cavidad. En la cavidad con forma de cilindro, el flujo descendente de aluminio líquido se produce desde debajo de los electrodos, y el flujo ascendente en una dirección girada 90° con respecto al flujo descendente. El flujo de circulación se desarrolló en forma de cuatro divisiones. (Figura 6a). Tanto en las cavidades con forma de cubo como de cuboide, se observó un fuerte flujo descendente debajo de los electrodos. Sin embargo, se desarrolló un flujo circulante de tres capas que constaba de dos flujos ascendentes y uno descendente, que eran paralelos al plano XZ. En la cavidad en forma de cuboide con una distancia entre electrodos más larga, se necesita más tiempo para formar un flujo de tres capas que en una cavidad en forma de cubo con una distancia entre electrodos más corta. El comportamiento de circulación del aluminio líquido varía dependiendo de la forma de la cavidad, pero las velocidades de los flujos ascendentes y descendentes se calculan con intensidades similares de 0,05 a 0,08 m/s para los tres tipos de cavidades. El aumento instantáneo en la velocidad de enfriamiento local al aplicar una corriente eléctrica en la Fig. 3d puede explicarse por la aceleración del enfriamiento del aluminio líquido debido al flujo circulante. Los mapas 2D de velocidad, temperatura y velocidad de corte en el plano YZ para cada forma de cavidad de la simulación numérica con el tiempo se describen en detalle en las Figs. S1–3 en Información complementaria.

Mapa de velocidad 3D para (a) las cavidades en forma de cilindro, (b) de cubo y (c) de forma cúbica de la simulación numérica.

Debido a que el volumen de aluminio líquido y la intensidad de la corriente eléctrica aplicada fueron los mismos en los tres tipos de cavidades, el valor máximo de la velocidad de corte fue similar, aproximadamente 400 s-1 para los tres tipos de cavidades (Fig. 7). De manera similar a la fuerza de Lorentz, se confirmó que la intensidad de la velocidad de corte es mayor debajo de los electrodos. En estudios previos sobre las características reológicas del aluminio, se sabe que una velocidad de corte del orden de cientos por segundo induce la ruptura de la aglomeración de partículas, lo que resulta en la modificación de la microestructura, incluido el tamaño y la morfología del grano (o micropartícula)43,44 . Por lo tanto, bajo condiciones experimentales selectivas en este estudio, se espera que la intensidad de la velocidad de corte sea suficiente para generar nucleación adicional por fragmentación de dendritas y, en consecuencia, refinar la microestructura en la solidificación de EA.

Mapa de velocidad de corte para las cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide de la simulación numérica.

Más detalladamente, en la solidificación EA, las dendritas formadas en la pared del molde pueden fragmentarse y las puntas de dendritas fragmentadas pueden entregarse a la región no solidificada debido al flujo forzado de aluminio líquido. Estas puntas de dendritas fragmentadas pueden actuar como sitios de nucleación adicionales si el tamaño de las puntas de dendritas fragmentadas es mayor que el radio crítico de los núcleos. Además, se puede formar una nueva nucleación heterogénea en un sustrato sólido del cual se separan los núcleos o las dendritas mediante fragmentación de las dendritas. Puede afectar aumentando el número de núcleos. Se espera que el aumento en el número de núcleos por la fragmentación de dendritas inducida por el flujo forzado de aluminio líquido tenga un efecto significativo en el refinamiento del grano en la solidificación con EA en comparación con la solidificación sin EA.

Con respecto a la forma de la cavidad en la solidificación EA, el tamaño de grano refinado muestra valores similares en los tres tipos de cavidades. El número de núcleos por unidad de volumen se puede predecir a partir del tamaño del grano45. Por lo tanto, se espera que el número de núcleos por unidad de volumen sea similar en los tres tipos de cavidades. Con referencia a la ecuación de Gibbs-Thomson-Ferreira para la nucleación basada en el gradiente del campo térmico46, el radio crítico (${r}_{c}$) para la nucleación homogénea y heterogénea en desequilibrio puede venir dado por

donde $\Delta T$ es el subenfriamiento y ${\Gamma }$ es el coeficiente de Gibbs-Thomson. El coeficiente de Gibbs-Thomson se puede expresar como

donde $\vec{r}$ es el radio del vector, $\nabla {\mathbf{T}}$ es el gradiente térmico normal al área de la superficie de $A\left( {\vec{r} } \right)$, y $\hat{n}$ es el vector normal unitario46. Especialmente para $\nabla {\mathbf{T}}$,

donde $V, P, C_{i}$ y $T$ son volumen, presión, especie y temperatura46. Dado que las tres formas de cavidad tienen volúmenes de cavidad similares, la misma composición que el aluminio puro y la misma condición de presión (~ 1 atm), se puede suponer que $\nabla {\mathbf{T}}$ está predominantemente relacionado con $\nabla T$. En nuestro experimento, la cavidad con forma de cuboide tiene una superficie mayor que una cavidad con forma de cilindro, por lo que el gradiente de temperatura en la cavidad con forma de cuboide es el más pequeño entre los tres tipos de cavidades. Por lo tanto, también se espera que el gradiente térmico en una cavidad con forma de cuboide sea el más pequeño entre los tres tipos de forma de cavidad. Significa que el radio crítico de los núcleos en una cavidad con forma de cuboide es el más pequeño, mientras que es el más grande en una cavidad con forma de cilindro (${r}_{crítico, cuboide}< {r}_{crítico, cubo}<{ r}_{crítico, cilindro})$. Los núcleos más grandes que el radio crítico de los núcleos (${r}_{crítico}$) en cada forma de cavidad sobrevivirán y crecerán hasta convertirse en granos de cristal. Además, cuanto menor sea el tamaño del radio crítico de los núcleos, mayor será el número de núcleos supervivientes para el crecimiento del grano entre los distintos tamaños de puntas de dendritas fragmentadas. Por lo tanto, se espera que el número de núcleos efectivos sea mayor en la cavidad con forma de cuboide, mientras que el más bajo en la cavidad con forma de cilindro. Especialmente, en cavidades con forma de cilindro, algunos núcleos pueden volver a fundirse debido al tiempo de permanencia relativamente largo a la temperatura de fusión. Por lo tanto, el número total de núcleos efectivos por tiempo (${\raise0.7ex\hbox{${N_{{núcleos}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{núcleos} } } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$) se espera que sea: cavidad en forma de cuboide > cavidad en forma de cubo > cavidad en forma de cilindro . Sin embargo, el volumen unitario solidificado por tiempo (${\raise0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{V_{{unit}} } t }}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$) es el más alto en una cavidad con forma de cuboide, mientras que es el más bajo en una cavidad con forma de cilindro debido a la diferencia en la velocidad de enfriamiento. Finalmente, el número de núcleos por unidad de volumen (${\raise0.7ex\hbox{${N_{{núcleos}} }$} \!\matord{\left/ {\vphantom {{N_{{núcleos}} } {V_{{unit}} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$}}$) se puede derivar considerando \ ({\raise0.7ex\hbox{${N_{{núcleos}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{núcleos}} } t}}\right.\kern-\ nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}\) y ${\raise0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$} \!\mathord{\left/ {\ vphantom {{V_{{unit}} } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$, y se espera que este valor sea similar para los tres tipos de cavidades como se muestra en la Fig. S4. Lo similar ${\raise0.7ex\hbox{${N_{{núcleos}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{núcleos}} } {V_{{unidad}} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$}}$ tenga una influencia importante en el tamaño de grano similar en los tres Tipos de formas de cavidades en la solidificación EA.

Como se muestra en la Fig. 6, aunque la forma del flujo circulante era diferente dependiendo de la forma de la cavidad, el aluminio líquido se mezcló bien dentro de la cavidad interna del molde. Por lo tanto, los nuevos núcleos pueden dispersarse uniformemente en la región no solidificada, lo que resulta en una pequeña variación en el tamaño de grano en la zona refinada para cada forma de cavidad. Para los tres tipos de cavidades, el flujo circulante de aluminio líquido en la región en la altura superior del molde se inhibe debido a la gravedad, lo que reduce la velocidad de corte. La zona refinada observada ubicada en la altura media del molde se explica tanto por la solidificación de abajo hacia arriba como por la velocidad de corte reducida en la altura superior del molde.

En la cavidad en forma de cuboide con la distancia entre electrodos más larga entre las tres formas de cavidad, el tamaño del grano fue de aproximadamente 390 μm en cada sección del plano YZ de las regiones izquierda y derecha (como se describe en la Fig. 8a). En la Fig. 8b, se observó que la velocidad de corte máxima era de aproximadamente 46, 27,6 y 38,7 s-1 para las regiones izquierda, central y derecha del plano YZ, respectivamente. Es del orden de 10 menor que la velocidad de corte formada en la región debajo de los electrodos (~ 400 s-1). Por lo tanto, en la región entre electrodos, en lugar de nuevos núcleos generados por la velocidad de corte, los núcleos pueden ser entregados a la región entre electrodos mediante el flujo circulante, lo que resulta en un tamaño de grano uniforme dentro de la zona refinada a pesar de la larga distancia entre electrodos. distancia.

(a) Tamaño de grano en el área refinada del plano YZ en una cavidad con forma de cuboide. Simulación numérica: (b) mapa de velocidad de corte 2D y (c) mapa de velocidad 2D después de 4 s de aplicar corriente eléctrica en una cavidad con forma de cuboide.

Se espera que la fracción de área de la zona refinada se vea afectada por la relación relativa entre el tiempo de aplicación de la corriente eléctrica y el tiempo de finalización de la solidificación. Las fracciones de área de la zona refinada fueron aproximadamente 29, 41 y 50% para las cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide, respectivamente (Fig. 9a). La fracción de área de la zona refinada de grano se calculó con base en el plano longitudinal 2D YZ que se muestra en la Fig. 4a. En el caso de la cavidad en forma de cilindro, se elimina una corriente eléctrica (108 s) antes de que se complete la solidificación a media altura del molde (Fig. 9b). Por lo tanto, después de eliminar la corriente eléctrica, se espera que el crecimiento de grano de los núcleos existentes ocurra en la región no solidificada sin un suministro adicional de núcleos por fragmentación de dendritas. En la cavidad en forma de cubo, el tiempo de aplicación de corriente eléctrica fue aproximadamente 20 s más largo que el tiempo de finalización de la solidificación en la altura media del molde (Fig. 9b). Esto implica que se pueden generar núcleos adicionales en el aluminio líquido no solidificado por encima de la altura media del molde, induciendo una fracción mayor de la zona refinada en comparación con la cavidad en forma de cilindro. Tanto en las cavidades con forma de cilindro como de cubo, la zona refinada en el plano YZ tiene forma de V como se muestra en la Fig. 4a. Esto puede explicarse por la distribución de temperatura en forma de V en el plano YZ, debido al flujo circulante en el mapa de distribución de temperatura 3D del aluminio líquido (Fig. 10a y b).

( a ) Fracción de la zona refinada en el plano longitudinal YZ en solidificación EA. (b) Tiempo de solidificación en la altura media y superior del molde en solidificación EA para las cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide. Curva de enfriamiento medida a la altura media de la cavidad en forma de cuboide en (c) solidificación sin EA y (d) solidificación con EA. (e) Mapa de distribución de temperatura 2D calculado numéricamente del plano XZ en una cavidad con forma de cuboide.

Mapa de distribución de temperatura en 3D del aluminio líquido a partir de la simulación numérica para (a) las cavidades en forma de cilindro, (b) de cubo y (c) de forma cúbica.

En la cavidad en forma de cuboide, se aplicó una corriente eléctrica hasta completar la solidificación en la altura superior del molde, como se muestra en la Fig. 9b. En el mapa de distribución de temperatura 3D del aluminio líquido en la cavidad en forma de cuboide (Fig. 10c), el aluminio líquido en la región central del ancho se enfría más rápido que el aluminio líquido al lado de los electrodos. Por lo tanto, incluso después de que se solidifique el aluminio líquido a media altura del molde, los núcleos que se generan recientemente aplicando una corriente eléctrica en el aluminio líquido no solidificado presente debajo de los electrodos se pueden suministrar a la altura superior del molde en el centro del ancho. , resultando en la mayor fracción de zona refinada. Las temperaturas medidas en las áreas central y lateral a media altura del molde se muestran en las figuras 9c y d. En la solidificación sin EA, la solidificación se completa más rápido en la región lateral, que es una ruta de disipación de calor. Sin embargo, en la solidificación EA, la solidificación en el centro del ancho se completa más de 9 s antes que en la región lateral a media altura del molde. Esto coincide bien con los resultados de la simulación para el mapa de distribución de temperatura 2D del plano XZ (Fig. 9e). La zona refinada en forma de V que se muestra en la macroestructura (Fig. 4a) también puede verse afectada por la distribución de temperatura en forma de V en el plano YZ, como se muestra en la Fig. 10c.

En este estudio, utilizamos una corriente eléctrica como fuente de energía externa para obtener granos refinados en estado fundido. Este estudio destaca el efecto de la corriente eléctrica sobre el comportamiento de solidificación con diferentes formas de cavidad en un volumen fijo. La estructura de solidificación se refinó notablemente hasta aproximadamente 350 µm a partir de varios milímetros de tamaño de grano (~ 11 mm), y los granos equiaxiales con relación de aspecto más baja se distribuyen uniformemente con una pequeña desviación del tamaño de grano en la zona refinada, aplicando una corriente eléctrica durante solidificación en las cavidades con forma de cilindro, cubo y cuboide. En la simulación numérica, se observó la aparición de flujo circulante, y la forma del flujo circulante en aluminio líquido depende de la forma de la cavidad. Además, se confirmó que la fuerza de Lorentz generada por la interacción entre la corriente eléctrica y el metal líquido mostró valores similares en cada forma de cavidad, y la velocidad de corte también fue similar a 400 s-1 para los tres tipos de cavidades, lo que se esperaba. ser suficiente para inducir la ruptura de la aglomeración de partículas y modificar la microestructura. Se espera que se puedan generar nuevos núcleos mediante una fuerte velocidad de corte cuando el aluminio no solidificado pasa por debajo del electrodo, y que pueda entregarse a la región no solidificada, debido al flujo circulante. Se espera que la observación de un tamaño de grano similar en la solidificación de EA con diferentes formas de cavidad esté influenciada por el comportamiento de nucleación y solidificación según la forma de la cavidad. La fracción de la zona refinada varió dependiendo de la forma de la cavidad, y la más baja fue aproximadamente el 29 % en la cavidad con forma de cilindro, y la más alta fue aproximadamente el 50 % en la cavidad con forma de cuboide. Esto se explica por la relación relativa entre el tiempo de finalización de la solidificación y el tiempo de aplicación de corriente eléctrica.

El uso de corriente eléctrica como parámetro de proceso para obtener una microestructura refinada es una tecnología emergente. Debido a que la forma de un producto real es compleja, existen muchas consideraciones para controlar la microestructura de un producto fundido. Al aplicar una corriente eléctrica al metal líquido, se desarrolla el flujo circulante, que depende de la forma de la cavidad y de las condiciones eléctricas. Por lo tanto, para controlar eficazmente la microestructura utilizando corriente eléctrica, se debe considerar cuidadosamente el fenómeno inducido por la corriente eléctrica relacionado con la nucleación y la solidificación. Este estudio puede proporcionar información sobre el control microestructural considerando varias formas de cavidad mediante solidificación asistida por corriente eléctrica.

Todos los datos incluidos en este estudio están disponibles previa solicitud contactando al autor correspondiente.

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Este trabajo fue apoyado por el Programa de Desarrollo de Tecnología Estratégica Industrial (No. 20003937, No. 10081329, No. 20017502) financiado por el Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MOTIE, Corea), subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) por el gobierno de Corea (MSIT) (No. 2017R1C1B2012459) y el Instituto de Tecnología Industrial de Corea como “Desarrollo de tecnología raíz inteligente con módulos complementarios (KITECH-EO-23-0007)”. M.La recibió el apoyo del programa de promoción de la educación y la investigación de KOREATECH en 2021.

Departamento de I+D de procesamiento inteligente de líquidos, Instituto Coreano de Tecnología Industrial, Incheon, 21999, República de Corea

Seung Jun Choi, DongEung Kim y Moon-Jo Kim

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Tecnología y Educación de Corea, Cheonan, 31253, República de Corea

Moonwoo La

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SJC: Metodología, Análisis formal, Curación de datos, Investigación, Redacción: borrador original. DK: Análisis formal, Curación de datos, Investigación. ML: análisis formal, software, supervisión, redacción: revisión y edición. M.-JK: Conceptualización, Adquisición de fondos, Administración de proyectos, Supervisión, Redacción: revisión y edición.

Correspondencia a Moonwoo La o Moon-Jo Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Choi, SJ, Kim, D., La, M. et al. Efecto de la forma de la cavidad sobre la evolución microestructural del aluminio puro en solidificación asistida eléctricamente. Representante científico 13, 3382 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29522-y

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Recibido: 08 de septiembre de 2022

Aceptado: 06 de febrero de 2023

Publicado: 28 de febrero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29522-y

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