Coupled Phase-Field and Lattice Boltzmann Modeling of Dendritic Growth and Bubble Entrapment during Solidification of an Al–4.5 wt.% Cu Alloy

عندما يبرد المعدن المنصهر ويتحول إلى مادة صلبة، فإنه ينكمش. هذه حقيقة أساسية في الفيزياء يمكن لأي شخص شاهد تجمد الماء وتحوله إلى جليد أن يلاحظها، رغم أن التأثير يكون أكثر دراماتيكية في الأفران. ومع تحول سبائك الألومنيوم من الحالة السائلة إلى الصلبة، فإنها غالباً ما تحبس جيوباً من الغاز كانت ذائبة في المصهور. وإذا لم تتمكن هذه الجيوب الغازية من الهروب، فإنها تتحول إلى ثقوب صغيرة، أو مسام، داخل المعدن النهائي. يمكن لهذه العيوب أن تضعف المادة، مما يجعلها عرضة للتشقق تحت الضغط. وبالنسبة للمهندسين الذين يبنون الطائرات أو السيارات، فإن فهم كيفية تشكل هذه الثقوب وأين تستقر بدقة هو أمر بالغ الأهمية. وتكمن التحدي في حقيقة أن المعدن لا يتجمد دفعة واحدة؛ بل ينمو بدلاً من ذلك في هياكل تشبه الأشجار تسمى "الدندريتات" (التغصنات الشجرية). وبينما تمتد هذه الأغصان المجهرية لتملأ الفراغ، يمكنها سد مسار فقاعات الغاز الصاعدة، مما يؤدي إلى حبسها داخل المادة الصلبة النهائية. ولرؤية هذه العملية بوضوح، يجب على الباحثين النظر بمقياس أصغر من أن تراه العين المجردة وبسرعة أكبر من أن تلتقطها الكاميرات القياسية.

ولحل هذا اللغز، لجأ فريق من الباحثين في جامعة شينيان للعلوم والتكنولوجيا ومختبر سوزو إلى مزيج قوي من المحاكاة الحاسوبية والملاحظة الواقعية. لقد ركزوا على سبيكة ألومنيوم تحتوي على 4.5 بالمئة من النحاس، وهي مادة مستخدمة على نطاق واسع في الصناعة. كان هدفهم هو رسم خريطة للرقصة المعقدة بين بلورات المعدن النامية وفقاعات الغاز الصاعدة. لقد بنوا نموذجاً حاسوبياً متطوراً يمكنه تتبع شيئين في آن واحد: شكل المعدن المتصلب وحركة فقاعات الغاز داخل السائل. سمح لهم هذا النموذج بمراقبة عملية نمو أغصان المعدن وكيفية محاولة الفقاعات الصعود عبر السائل المتزايد الكثافة، ولكن بالحركة البطيئة. ولضمان مطابقة عالمهم الرقمي للواقع، أجروا أيضاً تجارب فيزيائية؛ حيث قاموا بصهر نفس سبيكة الألومنيوم، وتحكموا في كمية غاز الهيدروجين بداخلها، وتركوا المعدن يبرد بطريقة محددة. ثم قاموا بتقطيع قضبان المعدن الناتجة وفحصها باستخدام مجاهر عالية القدرة وماسحات ضوئية ثلاثية الأبعاد بالأشعة السينية لمعرفة أين انتهى المطاف بالثقوب بالضبط.

اكتشف الباحثون أن سلوك فقاعة الغاز يعتمد كلياً على نوع هيكل المعدن الذي تواجهه. في سيناريو واحد، ينمو المعدن في نمط عشوائي يشبه النجمة يُعرف باسم "النمو متساوي المحاور" (equiaxed growth). هنا، تنطلق الأغصان في جميع الاتجاهات، مكونة شبكة متشابكة بسرعة. ومع اشتداد هذه الشبكة، تقوم بعصر القنوات السائلة بين الأغصان حتى تصبح أضيق من أن تسمح بمرور فقاعة. فتُحبس الفقاعة، وتظل محاصرة في جيب صغير من السائل يتجمد حولها في النهاية. ولأن المعدن ينمو بالتساوي في جميع الاتجاهات، تظل الفقاعة المحبوسة مستديرة تقريباً، وتقبع معزولة عند نقطة التقاء عدة حبيبات معدنية. وقد أظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية ذلك بوضوح، وأكدت التجارب الفيزيائية الأمر: فقد كشفت فحوصات الأشعة السينية عن ثقوب مستديرة ومبعثرة بلا اتجاه محدد، تماماً كما توقع النموذج.

وفي سيناريو مختلف، ينمو المعدن في أعمدة طويلة ومتوازية، وهو نمط يسمى "النمو العمودي" (columnar growth). يحدث هذا عندما تُسحب الحرارة في اتجاه واحد محدد، مما يجبر أغصان المعدن على النمو مثل غابة من الأشجار المستقيمة. في هذه البيئة، تمتلك فقاعات الغاز مساراً واضحاً للتحرك؛ فهي تصعد للأعلى، متبعةً القنوات الموجودة بين الأعمدة. ومع ذلك، مع نمو الأعمدة طولاً وعرضاً، فإنها تلحق بالفقاعات في النهاية. إذ تقوم أطراف أغصان المعدن المتقدمة بدفع الفقاعات أمامها، مما يؤدي إلى تمددها مثل عجينة "التافي". وبدلاً من البقاء مستديرة، تتطاول الفقاعات لتصبح في أشكال تشبه الديدان الطويلة التي تصطف تماماً مع اتجاه نمو المعدن. أظهرت المحاكاة هذه الفقاعات وهي تُحبس في تشكيل يشبه السلسلة، وطابقت التجارب الفيزيائية هذا تماماً؛ حيث أظهرت صور الأشعة السينية ثقوباً تشبه الأشران الطويلة تسير موازية لاتجاه النمو، مما أكد أن المعدن قد احتجز الغاز ومدّه بالفعل أثناء تصلبه.

كما كشفت الدراسة أيضاً كيف يؤثر سرعة المعدن السائل على شكل الفقاعات قبل أن تُحبس. فعندما يكون السائل ساكناً، يعمل التوتر السطحي كجلد مشدود يحافظ على استدارة الفقاعة. ولكن مع تحرك السائل أو صعود الفقاعة بسرعة أكبر، تبدأ قوة السائل المتحرك في تسطيح الفقاعة. وإذا كان التوتر السطحي ضعيفاً، يمكن للفقاعة أن تتمدد لدرجة أنها تنقسم إلى فقاعتين أصغر، اللتين قد ترتفعان بشكل منفصل ثم قد تندمجان مرة أخرى لاحقاً. وجد الباحثون أن حجم وشكل المسام النهائي يتحدد من خلال "شد وجذب" بين قوة الطفو التي تدفع الفقاعة للأعلى، ومقاومة المعدن المتزايد الكثافة التي تبطئ حركتها. كما لاحظوا أن وجود هذه الفقاعات يبطئ قلي من نمو المعدن نفسه، لأن الفقاعات تشغل مساحة كان من المفترض أن يشغلها المعدن الصلب.

من خلال الجمع بين هذه المحاكاة الرقمية والإثبات الفيزيائي، قدم الفريق صورة واضحة لكيفية تشكل العيوب في سبائك الألومنيوم. لقد أظهروا أن شكل المسام ليس عشوائياً، بل هو سجل مباشر لكيفية نمو المعدن حوله. فإذا نما المعدن في شكل شبكة عشوائية، تكون الثقوب مستديرة ومبعثرة. وإذا نما المعدن في خطوط مستقيمة، تكون الثقوب طويلة ومتراصفة. يمنح هذا الفهم المهندسين طريقة جديدة للتنبؤ بجودة أجزاء المعدن والتحكم فيها. فمن خلال معرفة كيفية نمو المعدن، يمكنهم تعديل عملية التبريد إما لمنع تكون الفقاعات أو لضمان أن تكون، في حال تكونها، في شكل وموقع يقلل من ضررها على المنتج النهائي. إن هذا العمل يجسّر الفجوة بين العالم غير المرئي للفيزياء المجهرية والواقع الملموس للهياكل المعدنية القوية والموثوقة.