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

Este estudio desarrolla un modelo acoplado de campo de fase y Boltzmann en red, validado mediante experimentos de SEM y tomografía de rayos X, para dilucidar cómo la convección del fundido, la tensión superficial y los modos de solidificación (equiaxial frente a columnar) gobiernan las complejas interacciones, la evolución morfológica y los mecanismos de atrapamiento de burbujas dentro de dendritas en crecimiento durante la solidificación de una aleación de Al–4.5 % en peso de Cu.

Autores originales: Zhiming Gao, Chuangxin Zhang, Zhongtang Gao, Sainan Liu, Yan Liu, Chuanwei Zhang

Publicado 2026-09-21

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CC BY 4.0

Autores originales: Zhiming Gao, Chuangxin Zhang, Zhongtang Gao, Sainan Liu, Yan Liu, Chuanwei Zhang

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Cuando el metal fundido se enfría y se convierte en sólido, se contrae. Esta es una verdad fundamental de la física que cualquiera que haya visto el agua congelarse en hielo puede observar, aunque el efecto es mucho más dramático en un horno. A medida que las aleaciones de aluminio se transforman de líquido a sólido, a menudo atrapan bolsas de gas que estaban disueltas en la fundición. Si estas bolsas de gas no pueden escapar, se convierten en diminutos agujeros, o poros, dentro del metal terminado. Estos defectos pueden debilitar el material, haciéndolo propenso a agrietarse bajo tensión. Para los ingenieros que construyen aviones o automóviles, comprender exactamente cómo se forman estos agujeros y dónde terminan es crítico. El desafío radica en el hecho de que el metal no se congela todo a la vez; en su lugar, crece en estructuras similares a árboles llamadas dendritas. A medida que estas ramas microscópicas se extienden para llenar el espacio, pueden bloquear el camino de las burbujas de gas ascendentes, atrapándolas en el sólido final. Para ver este proceso con claridad, los investigadores deben mirar a una escala demasiado pequeña para el ojo humano y a una velocidad demasiado rápida para que las cámaras estándar la capturen.

Para resolver este rompecabezas, un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Xi'an y del Laboratorio de Suzhou recurrió a una poderosa combinación de simulación por computadora y observación del mundo real. Se centraron en una aleación de aluminio que contiene un 4,5 por ciento de cobre, un material ampliamente utilizado en la industria. Su objetivo era mapear la compleja danza entre el crecimiento de los cristales de metal y el ascenso de las burbujas de gas. Construyeron un modelo computacional sofisticado que podía rastrear dos cosas a la vez: la forma del metal que se solidifica y el movimiento de las burbujas de gas dentro del líquido. Este modelo les permitió observar, en cámara lenta, cómo crecían las ramas del metal y cómo las burbujas intentaban ascender a través del líquido que se espesaba. Para asegurar que su mundo digital coincidiera con la realidad, también realizaron experimentos físicos. Fundieron la misma aleación de aluminio, controlaron la cantidad de gas hidrógeno en su interior y la dejaron enfriar de una manera específica. Luego, cortaron las barras de metal resultantes y las examinaron con microscopios de alta potencia y escáneres de rayos X en 3D para ver exactamente dónde terminaron los agujeros.

Los investigadores descubrieron que el comportamiento de una burbuja de gas depende enteramente del tipo de estructura metálica que encuentra. En un escenario, el metal crece en un patrón aleatorio y similar a una estrella conocido como crecimiento equiaxial. Aquí, las ramas se disparan en todas las direcciones, formando rápidamente una red enmarañada. A medida que esta red se aprieta, comprime los canales de líquido entre las ramas hasta que son demasiado estrechos para que pase una burbuja. La burbuja se queda atascada, atrapada en un pequeño bolsillo de líquido que eventualmente se congela a su alrededor. Debido a que el metal crece de manera igual en todas las direcciones, la burbuja atrapada permanece aproximadamente redonda, situada aislada en la unión donde se encuentran varios granos de metal. Las simulaciones por computadora mostraron esto claramente, y los experimentos físicos lo confirmaron: los escaneos de rayos X revelaron agujeros redondos y dispersos sin una dirección específica, tal como el modelo predijo.

En un escenario diferente, el metal crece en columnas largas y paralelas, un patrón llamado crecimiento columnar. Esto sucede cuando el calor se extrae en una dirección específica, obligando a las ramas del metal a crecer como un bosque de árboles rectos. En este entorno, las burbujas de gas tienen un camino claro para viajar. Ascienden siguiendo los canales entre las columnas. Sin embargo, a medida que las columnas crecen más largas y gruesas, eventualmente alcanzan a las burbujas. Las puntas avanzantes de las ramas de metal empujan las burbujas, estirándolas como si fueran un caramelo masticable. En lugar de permanecer redondas, las burbujas se elongan en formas largas, similares a gusanos, que se alinean perfectamente con la dirección en la que el metal estaba creciendo. Las simulaciones mostraron estas burbujas siendo atrapadas en una formación en cadena, y los experimentos físicos coincidieron con esto perfectamente. Las imágenes de rayos X mostraron poros largos, similares a cintas, que corren paralelos a la dirección de crecimiento, confirmando que el metal efectivamente había capturado y estirado el gas mientras se solidificaba.

El estudio también reveló cómo la velocidad del metal líquido afecta la forma de las burbujas antes de que sean atrapadas. Cuando el líquido está quieto, la tensión superficial actúa como una piel tensa, manteniendo la burbuja redonda. Pero a medida que el líquido se mueve o la burbuja asciende más rápido, la fuerza del líquido en movimiento comienza a aplanar la burbuja. Si la tensión superficial es débil, la burbuja puede estirarse tanto que se rompe en dos burbujas más pequeñas, las cuales ascienden por separado y podrían fusionarse de nuevo más tarde. Los investigadores encontraron que el tamaño y la forma del poro final están determinados por un tira y afloja entre la flotabilidad que empuja la burbuja hacia arriba y la resistencia del metal que se espesa, que la frena. También observaron que la presencia de estas burbujas ralentiza ligeramente el crecimiento del metal mismo, ya que las burbujas ocupan el espacio que el metal sólido de otro modo ocuparía.

Al combinar estas simulaciones digitales con la prueba física, el equipo proporcionó una imagen clara de cómo se forman los defectos en las fundiciones de aluminio. Demostraron que la forma de un poro no es aleatoria; es un registro directo de cómo el metal creció a su alrededor. Si el metal creció en una red aleatoria, los agujeros son redondos y dispersos. Si el metal creció en líneas rectas, los agujeros son largos y alineados. Este entendimiento otorga a los ingenieros una nueva forma de predecir y controlar la calidad de las piezas metálicas. Al saber cómo crece el metal, pueden ajustar el proceso de enfriamiento para evitar la formación de burbujas o asegurar que, si se forman, terminen en una forma y ubicación que sea menos perjudicial para el producto final. El trabajo cierra la brecha entre el mundo invisible de la física microscópica y la realidad tangible de las estructuras metálicas fuertes y confiables.

Resumen Técnico: Modelado Acoplado de Campo de Fase y Lattice Boltzmann de Crecimiento Dendrítico y Atrapamiento de Burbujas durante la Solidificación de una Aleación de Al–4.5 % en peso de Cu

Planteamiento del Problema
Durante la solidificación de las aleaciones de aluminio, las diferencias significativas de densidad entre las fases líquida y sólida provocan una contracción volumétrica, mientras que la disminución de la solubilidad del gas promueve la nucleación de burbujas. La microporosidad y las cavidades de contracción resultantes son defectos críticos. Aunque estudios previos han utilizado marcos de campo de fase (PF) y el método de Lattice Boltzmann (LBM) para simular la solidificación, persiste una brecha sistemática en la comprensión de cómo la convección del fundido interactúa con las microestructuras de solidificación en evolución para influir en la dinámica de los poros. Específicamente, el complejo acoplamiento de los sistemas de tres fases sólido-líquido-gas —caracterizado por fronteras libres en movimiento, deformación severa de la interfaz y flujo multifásico no lineal— presenta un desafío significativo para la investigación cuantitativa. Los modelos existentes a menudo omiten los efectos convectivos o tienen dificultades para describir con precisión la evolución simultánea de los dendritos, la segregación de soluto y la migración de burbujas.

Metodología
Para abordar estos desafíos, los autores desarrollaron un marco acoplado de campo de fase/Lattice Boltzmann (PF-LBM) que incorpora el modelo de flujo multifase de Shan–Chen.

Modelo de Campo de Fase: Se adoptó un modelo de campo de fase cuantitativo para describir el crecimiento dendrítico en la aleación de Al–4.5 % en peso de Cu. Utiliza un enfoque de interfaz difusa con una corriente de soluto de atrapamiento anti-atrapamiento para minimizar el atrapamiento de soluto artificial. El modelo tiene en cuenta la anisotropía de cuatro puntas y la difusión de soluto, asumiendo condiciones isotérmicas debido a que la difusión térmica es más rápida que la difusión de soluto.
Modelo de Lattice Boltzmann: Se empleó un LBM de un solo componente multifásico basado en el modelo de Shan–Chen para simular el flujo de dos fases gas-líquido. Este componente incorpora términos de fuerza externa para contabilizar la flotabilidad, la tensión superficial y la resistencia disipada dentro de la zona de pasta (mushy zone).
Estrategia de Acoplamiento: Los modelos se acoplaron para simular las interacciones entre las fases sólida, líquida y gaseosa, contabilizando explícitamente la dinámica de las burbujas (ascenso, deformación, ruptura y coalescencia) y su interacción con los dendritos en crecimiento bajo condiciones tanto equiaxiales como direccionales.
Validación Experimental: Se realizaron experimentos de solidificación direccional en aleaciones de Al–4.5 % en peso de Cu con contenido controlado de hidrógeno (0.43 mL/100 g). La caracterización microestructural se llevó a cabo mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Tomografía Computarizada de Rayos X (XCT) para validar las predicciones numéricas respecto a la morfología y distribución de los poros.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio elucida los mecanismos de evolución acoplada de dendritas y burbujas a través de los siguientes hallazgos:

Dinámica de Burbujas bajo Convección: El comportamiento dinámico de las burbujas (ascenso, deformación, ruptura y coalescencia) está fuertemente gobernado por el número de Reynolds del fundido (Re) y el número de Eötvös (Eo). Una reducción en la tensión superficial intensifica significativamente la deformación de la burbuja. Al interactuar con obstáculos sólidos, las burbujas experimentan una secuencia de deformación, ruptura, elusión y coalescencia. El estudio introduce parámetros adimensionales (coeficiente de Blaschke $C_b$ y planitud $e_f$ ) para cuantificar la transición de morfologías esféricas a irregulares a medida que la flotabilidad supera la tensión superficial.
Solidificación Equiaxial vs. Columnares:
- Crecimiento Equiaxial: Bajo condiciones equiaxiales, el crecimiento multidireccional de los dendritos crea una red interconectada que impone una restricción espacial isotrópica. Las burbujas quedan restringidas dentro de los espacios interdentríticos, exhibiendo morfologías casi esféricas e aisladas con una distribución aleatoria.
- Crecimiento Columnar: Bajo condiciones direccionales, las burbujas migran a lo largo de la dirección del flujo de calor. Son empujadas y eventualmente capturadas por las puntas de los dendritos en avance, lo que conduce a morfologías de poros alargadas, en forma de gusano o de cinta, alineadas con la dirección de crecimiento. Algunos poros forman estructuras en cadena a lo largo de los límites de grano.
Impacto en la Cinética de Solidificación: La presencia de burbujas modifica el comportamiento de la solidificación. En comparación con las condiciones sin burbujas, el sistema que contiene burbujas exhibe fracciones sólidas menores y alturas de crecimiento dendrítico reducidas durante las etapas intermedia y tardía de la solidificación. Esto sugiere que el atrapamiento de burbujas y la redistribución asociada del flujo local del fundido influyen en el progreso general de la solidificación.
Correlación Experimental: Las observaciones experimentales mediante SEM y XCT confirmaron las predicciones numéricas. Las regiones equiaxiales mostraron poros aislados y distribuidos aleatoriamente, mientras que las regiones columnares mostraron poros alargados y alineados direccionalmente. El acuerdo cualitativo entre la simulación y el experimento valida la capacidad del modelo para capturar los distintos mecanismos de atrapamiento en diferentes modos de solidificación.

Significancia
El artículo sostiene que este trabajo proporciona un marco numérico robusto para investigar el complejo acoplamiento del crecimiento dendrítico, la convección del fundido y la evolución de las burbujas en la solidificación de aleaciones. Al integrar con éxito los métodos PF y LBM, el estudio ofrece perspectivas sobre los mecanismos físicos que gobiernan la formación y el atrapamiento de poros. Los hallazgos apoyan el desarrollo de estrategias para controlar los defectos de porosidad en las aleaciones de Al–Cu mediante la comprensión de cómo los modos de solidificación (equiaxial vs. columnar) dictan la morfología y distribución final de los poros de gas. El estudio enfatiza que los distintos comportamientos de migración y atrapamiento observados en las estructuras equiaxiales y columnares son factores críticos para determinar la calidad de la microestructura sólida final.

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