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

Lorsqu'un métal en fusion refroidit et se transforme en solide, il se contracte. C'est une vérité fondamentale de la physique que quiconque a déjà observé l'eau geler en glace peut constater, bien que l'effet soit bien plus spectaculaire dans un four. À mesure que les alliages d'aluminium passent de l'état liquide à l'état solide, ils emprisonnent souvent des poches de gaz qui étaient dissous dans le métal en fusion. Si ces poches de gaz ne peuvent pas s'échapper, elles deviennent de minuscules trous, ou pores, à l'intérieur du métal fini. Ces défauts peuvent fragiliser le matériau, le rendant sujet aux fissures sous l'effet de la contrainte. Pour les ingénieurs qui construisent des avions ou des automobiles, comprendre exactement comment ces trous se forment et où ils finissent par se trouver est crucial. Le défi réside dans le fait que le métal ne gèle pas d'un seul coup ; au contraire, il croît selon des structures arborescentes appelées dendrites. À mesure que ces branches microscopiques s'étendent pour remplir l'espace, elles peuvent bloquer le chemin de la montée des bulles de gaz, les emprisonnant dans le solide final. Pour observer ce processus clairement, les chercheurs doivent regarder à une échelle trop petite pour l'œil nu et à une vitesse trop rapide pour les caméras standards.

Pour résoudre cette énigme, une équipe de chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Xi'an et du Laboratoire de Suzhou s'est tournée vers une puissante combinaison de simulation informatique et d'observation réelle. Ils se sont concentrés sur un alliage d'aluminium contenant 4,5 % de cuivre, un matériau largement utilisé dans l'industrie. Leur objectif était de cartographier la danse complexe entre la croissance des cristaux métalliques et la montée des bulles de gaz. Ils ont construit un modèle informatique sophistiqué capable de suivre deux choses à la fois : la forme du métal en cours de solidification et le mouvement des bulles de gaz au sein du liquide. Ce modèle leur a permis de regarder, au ralenti, comment les branches du métal croissaient et comment les bulles tentaient de remonter à travers le liquide s'épaississant. Pour s'assurer que leur monde numérique correspondait à la réalité, ils ont également réalisé des expériences physiques. Ils ont fait fondre le même alliage d'aluminium, contrôlé la quantité d'hydrogène gazeux à l'intérieur et l'ont laissé refroidir d'une manière spécifique. Ils ont ensuite découpé les barres de métal résultantes et les ont examinées à l'aide de microscopes de haute puissance et de scanners à rayons X 3D pour voir exactement où les trous se trouvaient.

Les chercheurs ont découvert que le comportement d'une bulle de gaz dépend entièrement du type de structure métallique qu'elle rencontre. Dans un scénario, le métal croît selon un motif aléatoire et étoilé appelé croissance équiaxe. Ici, les branches partent dans toutes les directions, formant rapidement un filet emmêlé. À mesure que ce filet se resserre, il comprime les canaux de liquide entre les branches jusqu'à ce qu'ils soient trop étroits pour qu'une bulle puisse passer. La bulle reste coincée, piégée dans une petite poche de liquide qui finit par geler autour d'elle. Comme le métal croît de manière égale dans toutes les directions, la bulle piégée reste approximativement ronde, isolée au point de jonction où plusieurs grains de métal se rejoignent. Les simulations informatiques l'ont montré clairement, et les expériences physiques l'ont confirmé : les scans aux rayons X ont révélé des trous ronds et dispersés, sans direction spécifique, tout comme le modèle l'avait prédit.

Dans un scénario différent, le métal croît en longues colonnes parallèles, un motif appelé croissance colonnaire. Cela se produit lorsque la chaleur est extraite dans une direction spécifique, forçant les branches de métal à croître comme une forêt d'arbres droits. Dans cet environnement, les bulles de gaz ont un chemin clair à suivre. Elles montent vers le haut, suivant les canaux entre les colonnes. Cependant, à mesure que les colonnes s'allongent et s'épaississent, elles finissent par rattraper les bulles. Les pointes progressives des branches métalliques poussent les bulles, les étirant comme du taffy. Au lieu de rester rondes, les bulles s'allongent en formes de vers longs qui s'alignent parfaitement avec la direction de la croissance du métal. Les simulations ont montré ces bulles se retrouvant piégées dans une formation en chaîne, et les expériences physiques ont parfaitement correspondu à cela. Les images aux rayons X ont montré de longs pores rubanés courant parallèlement à la direction de la croissance, confirmant que le métal avait effectivement capturé et étiré le gaz lors de sa solidification.

L'étude a également révélé comment la vitesse du métal liquide affecte la forme des bulles avant qu'elles ne soient piégées. Lorsque le liquide est immobile, la tension superficielle agit comme une peau tendue, maintenant la bulle ronde. Mais lorsque le liquide est en mouvement ou que la bulle monte rapidement, la force du liquide en mouvement commence à aplatir la bulle. Si la tension superficielle est faible, la bulle peut s'étirer au point de se briser en deux bulles plus petites, qui montent séparément et pourraient fusionner à nouveau plus tard. Les chercheurs ont découvert que la taille et la forme du pore final sont déterminées par un bras de fer entre la flottabilité qui pousse la bulle vers le haut et la résistance du métal s'épaississant qui la ralentit. Ils ont également noté que la présence de ces bulles ralentit légèrement la croissance du métal lui-même, car les bulles occupent l'espace que le métal solide occuperait autrement.

En combinant ces simulations numériques avec des preuves physiques, l'équipe a fourni une image claire de la formation des défauts dans les coulées d'aluminium. Ils ont montré que la forme d'un pore n'est pas aléatoire ; elle est le compte rendu direct de la façon dont le métal a crû autour de lui. Si le métal a crû en un filet aléatoire, les trous sont ronds et dispersés. Si le métal a crû en lignes droites, les trous sont longs et alignés. Cette compréhension offre aux ingénieurs un nouveau moyen de prédire et de contrôler la qualité des pièces métalliques. En sachant comment le métal croît, ils peuvent ajuster le processus de refroidissement pour soit empêcher la formation de bulles, soit s'assurer que, si elles se forment, elles finissent par adopter une forme et une localisation qui sont les moins préjudiciables au produit final. Ce travail comble le fossé entre le monde invisible de la physique microscopique et la réalité tangible des structures métalliques solides et fiables.