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

Quando il metallo fuso si raffredda e diventa solido, si contrae. Questa è una verità fondamentale della fisica che chiunque abbia mai osservato l'acqua congelare nel ghiaccio può constatare, sebbene l'effetto sia molto più drammatico in un forno. Mentre le leghe di alluminio si trasformano da liquido a solido, spesso intrappolano sacche di gas che erano disciolte nel fuso. Se queste sacche di gas non riescono a sfuggire, diventano piccoli buchi, o pori, all'interno del metallo finito. Questi difetti possono indebolire il materiale, rendendolo incline a creparsi sotto sforzo. Per gli ingegneri che costruiscono aeromobili o automobili, capire esattamente come si formano questi buchi e dove finiscono è fondamentale. La sfida risiede nel fatto che il metallo non si congela tutto in una volta; invece, cresce in strutture simili ad alberi chiamate dendriti. Mentre queste ramificazioni microscopiche si protendono per riempire lo spazio, possono bloccare il percorso delle bolle di gas ascendenti, intrappolandole nel solido finale. Per vedere chiaramente questo processo, i ricercatori devono guardare a una scala troppo piccola per l'occhio nudo e a una velocità troppo elevata per le telecamere standard.

Per risolvere questo enigma, un team di ricercatori della Xi'an University of Science and Technology e del Laboratorio di Suzhou si è rivolto a una potente combinazione di simulazione informatica e osservazione del mondo reale. Si sono concentrati su una lega di alluminio contenente il 4,5 percento di rame, un materiale ampiamente utilizzato nell'industria. Il loro obiettivo era mappare la complessa danza tra la crescita dei cristalli metallici e la risalita delle bolle di gas. Hanno costruito un sofisticato modello informatico capace di tracciare due cose contemporaneamente: la forma del metallo in fase di solidificazione e il movimento delle bolle di gas all'interno del liquido. Questo modello ha permesso loro di osservare, al rallentatore, come le ramificazioni del metallo crescessero e come le bolle cercassero di risalire attraverso il liquido in fase di ispessimento. Per garantire che il loro mondo digitale corrispondesse alla realtà, hanno anche eseguito esperimenti fisici. Hanno fuso la stessa lega di alluminio, controllato la quantità di idrogeno gassoso al suo interno e l'hanno lasciata raffreddare in un modo specifico. Hanno poi sezionato le barre di metallo risultanti ed esaminato con microscopi ad alta potenza e scanner a raggi X 3D per vedere esattamente dove fossero finiti i buchi.

I ricercatori hanno scoperto che il comportamento di una bolla di gas dipende interamente dal tipo di struttura metallica che incontra. In uno scenario, il metallo cresce in un modello casuale, simile a una stella, noto come crescita equia {equiaxed}. In questo caso, le ramificazioni si protendono in tutte le direzioni, formando rapidamente una rete intricata. Man mano che questa rete si stringe, comprime i canali di liquido tra le ramificazioni finché non sono troppo stretti perché una bolla possa passare. La bolla rimane bloccata, intrappolata in una piccola sacca di liquido che infine si congela attorno ad essa. Poiché il metallo cresce in modo uguale in tutte le direzioni, la bolla intrappolata rimane approssimativamente rotonda, isolata nel punto di incontro tra diversi grani metallici. Le simulazioni al computer lo hanno mostrato chiaramente, e gli esperimenti fisici lo hanno confermato: le scansioni a raggi X hanno rivelato buchi rotondi e sparsi, senza una direzione specifica, proprio come previsto dal modello.

In uno scenario diverso, il metallo cresce in lunghe colonne parallele, un modello chiamato crescita colonnare. Ciò accade quando il calore viene estratto in una direzione specifica, costringendo le ramificazioni del metallo a crescere come un bosco di alberi dritti. In questo ambiente, le bolle di gas hanno un percorso chiaro da seguire. Esse risalgono verso l'alto, seguendo i canali tra le colonne. Tuttavia, man mano che le colonne crescono in lunghezza e spessore, esse finiscono per raggiungere le bolle. Le punte avanzanti delle ramificazioni metalliche spingono le bolle lungo il percorso, allungandole come se fossero caramella da tirare. Inve di rimanere rotonde, le bolle si allungano in forme simili a vermi che si allineano perfettamente con la direzione della crescita del metallo. Le simulazioni hanno mostrato queste bolle intrappolate in una formazione a catena, e gli esperimenti fisici hanno confermato perfettamente questo dato. Le immagini ai raggi X hanno mostrato pori lunghi, simili a nastri, che corrono paralleli alla direzione di crescita, confermando che il metallo aveva effettivamente catturato e allungato il gas durante la solidificazione.

Lo studio ha anche rivelato come la velocità del metallo liquido influenzi la forma delle bolle prima che vengano intrappolate. Quando il liquido è immobile, la tensione superficiale agisce come una pelle tesa, mantenendo la bolla rotonda. Ma quando il liquido si muove o la bolla sale più velocemente, la forza del liquido in movimento inizia ad appiattire la bolla. Se la tensione superficiale è debole, la bolla può allungarsi così tanto da rompersi in due bolle più piccole, che poi salgono separatamente e potrebbero fondersi di nuovo in seguito. I ricercatori hanno scoperto che la dimensione e la forma del poro finale sono determinate da un tiro alla fune tra la spinta di galleggiamento che spinge la bolla verso l'alto e la resistenza del metallo che si sta ispessendo, rallentandola. Hanno anche notato che la presenza di queste bolle rallenta leggermente la crescita del metallo stesso, poiché le bolle occupano uno spazio che il metallo solido occuperebbe altrimenti.

Combinando queste simulazioni digitali con la prova fisica, il team ha fornito un quadro chiaro di come si formino i difetti nelle fusioni di alluminio. Hanno dimostrato che la forma di un poro non è casuale; è una registrazione diretta di come il metallo sia cresciuto intorno ad esso. Se il metallo è cresciuto come una rete casuale, i buchi sono rotondi e sparsi. Se il metallo è cresciuto in linee rette, i buchi sono lunghi e allineati. Questa comprensione offre agli ingegneri un nuovo modo per prevedere e controllare la qualità dei componenti metallici. Sapendo come cresce il metallo, possono regolare il processo di raffreddamento per evitare la formazione di bolle o per assicurarsi che, se si formano, finiscano in una forma e in una posizione che sia meno dannosa per il prodotto finale. Il lavoro colma il divario tra il mondo invisibile della fisica microscopica e la realtà tangibile di strutture metalliche forti e affidabili.