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

용융 금속이 냉각되어 고체로 변할 때, 금속은 수축한다. 이는 물이 얼음으로 변하는 것을 본 적이 있는 사람이라면 누구나 관찰할 수 있는 물리학의 근본적인 진리이지만, 용광로 안에서는 그 효과가 훨씬 더 극적이다. 알루미늄 합금이 액체에서 고체로 변할 때, 이들은 종종 용융물에 녹아 있던 가스 포켓을 가두게 된다. 만약 이 가스 포켓이 탈출하지 못하면, 완성된 금속 내부에는 작은 구멍, 즉 기공(pore)이 된다. 이러한 결함은 재료를 약화시켜 응력 하에서 균열이 생기기 쉽게 만든다. 항공기나 자동차를 만드는 엔지니어들에게 이 구멍들이 어떻게 형성되고 어디에 위치하는지를 정확히 이해하는 것은 매우 중요하다. 문제는 금속이 한꺼번에 얼지 않는다는 점에 있다. 대신, 금속은 '덴드라이트(dendrite)'라고 불리는 나무 모양의 구조로 성장한다. 이 미세한 가지들이 공간을 채우기 위해 뻗어 나갈 때, 가스 기포가 상승하는 경로를 차단하여 기포를 최종 고체 안에 가둘 수 있다. 이 과정을 명확하게 보기 위해 연구자들은 육안으로는 볼 수 없을 만큼 작고, 표준 카메라로는 포착할 수 없을 만큼 빠른 규모를 들여다봐야 한다.

이 수수께끼를 풀기 위해, 서안 과학기술대학교와 소주 연구소의 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션과 실제 관찰의 강력한 조합에 의지했다. 그들은 산업계에서 널리 사용되는 재료인 구리가 4.5% 포함된 알루미늄 합금에 집중했다. 그들의 목표는 성장하는 금속 결정과 상승하는 가스 기포 사이의 복잡한 춤을 지도화하는 것이었다. 그들은 두 가지를 동시에 추적할 수 있는 정교한 컴퓨터 모델을 구축했다: 응고되는 금속의 형태와 액체 내 가스 기한의 움직임이다. 이 모델을 통해 그들은 금속 가지가 어떻게 자라나는지, 그리고 기포가 걸쭉해지는 액체를 뚫고 어떻게 상승하려고 시도하는지를 슬로 모션으로 관찰할 수 있었다. 디지털 세계가 현실과 일치하도록 하기 위해, 그들은 또한 물리적 실험을 수행했다. 그들은 동일한 알루미늄 합금을 녹이고, 내부의 수소 가스량을 조절한 뒤, 특정한 방식으로 냉각시켰다. 그 후 결과물인 금속 바를 절단하고 고성능 현미경과 3D X선 스캐너로 검사하여 구멍이 정확히 어디에 위치하는지 확인했다.

연구진은 가스 기포의 거동이 기포가 마주하는 금속 구조의 유형에 전적으로 달려 있다는 사실을 발견했다. 한 가지 시나리오에서, 금속은 '등축 성장(equiaxed growth)'이라고 알려진 무작위의 별 모양 패턴으로 성장한다. 여기서 가지들은 모든 방향으로 뻗어 나가며 빠르게 엉킨 그물을 형성한다. 이 그물이 조여짐에 따라, 가지 사이의 액체 통로를 기포가 통과할 수 없을 정도로 좁게 압착한다. 기포는 갇히게 되며, 결국 기포 주변을 둘러싸며 얼어붙는 작은 액체 주머니 속에 머물게 된다. 금속이 모든 방향으로 균등하게 성장하기 때문에, 갇힌 기포는 대략 둥근 형태를 유지하며 여러 금속 결정립이 만나는 접점에 고립되어 위치한다. 컴퓨터 시뮬레이션은 이를 명확히 보여주었으며, 물리적 실험 또한 이를 확인해주었다. X선 스 스캔 결과, 모델이 예측한 대로 특정 방향 없이 둥글고 흩어져 있는 구멍들이 나타났다.

다른 시나리오에서, 금속은 긴 평행 기둥 형태인 '주상 성장(columnar growth)' 패턴으로 성장한다. 이는 열이 한 특정 방향으로 뽑혀 나갈 때 발생하며, 금속 가지들이 직선 형태의 숲처럼 자라도록 강제한다. 이 환경에서 가스 기포는 이동할 수 있는 명확한 경로를 갖는다. 기포는 기둥 사이의 통로를 따라 위로 상승한다. 그러나 기둥이 길어지고 두꺼워짐에 따라, 기둥들은 결국 기포를 따라잡게 된다. 전진하는 금속 가지의 끝부분이 기포를 밀어내며, 마치 태피(taffy)를 늘리듯 기포를 길게 늘린다. 둥근 형태를 유지하는 대신, 기포는 금속이 성장하는 방향과 완벽하게 일치하는 길고 벌레 같은 모양으로 길쭉해진다. 시뮬레이션은 이 기포들이 사슬 모양의 형상으로 갇히는 모습을 보여주었으며, 물리적 실험 역시 이와 완벽하게 일치했다. X선 영상은 금속의 성장 방향과 평행하게 달리는 긴 리본 모양의 기공들을 보여주며, 금속이 가스를 포착하여 늘렸음을 확인해주었다.

연구는 또한 액체 금속의 속도가 기포가 갇히기 전의 모양에 어떤 영향을 미치는지도 밝혀냈다. 액체가 정지해 있을 때, 표면 장력은 팽팽한 피부처럼 작용하여 기포를 둥글게 유지한다. 하지만 액체가 움직이거나 기포가 더 빠르게 상승하면, 움직이는 액체의 힘이 기포를 납작하게 만들기 시작한다. 표면 장력이 약하면 기포가 너무 많이 늘어나 두 개의 작은 기포로 분리될 수 있으며, 이들은 각각 상승한 뒤 나중에 다시 합쳐질 수도 있다. 연구진은 최종 기공의 크기와 모양이 기포를 위로 밀어 올리는 부력과, 기포의 상승을 늦추는 걸쭉해지는 금속의 저항 사이의 줄다리기에 의해 결정된다는 것을 발견했다. 또한 그들은 이러한 기포의 존재가 금속 자체의 성장을 약간 늦춘다는 점에도 주목했는데, 이는 기포가 고체 금속이 차지해야 할 공간을 차지하기 때문이다.

디지털 시뮬레이션과 물리적 증거를 결합함으로써, 연구팀은 알루미늄 주조물에서 결함이 형성되는 과정을 명확한 그림으로 제시했다. 그들은 기공의 모양이 무작위가 아니라, 금속이 그 주변에서 어떻게 성장했는지를 보여주는 직접적인 기록임을 보여주었다. 만약 금속이 무작위의 그물 형태로 자랐다면 구멍은 둥글고 흩어져 있다. 만약 금속이 직선 형태로 자랐다면 구멍은 길고 정렬되어 있다. 이러한 이해는 엔지니어들에게 금속 부품의 품질을 예측하고 제어할 수 있는 새로운 방법을 제공한다. 금속이 어떻게 성장하는지 알게 됨으로써, 그들은 냉각 과정을 조절하여 기포 형성을 방지하거나, 만약 기포가 형성되더라도 최종 제품에 가장 해롭지 않은 모양과 위치에 놓이도록 할 수 있다. 이 연구는 미시적 물리학의 보이지 않는 세계와 견고하고 신뢰할 수 있는 금속 구조라는 실체적인 현실 사이의 간극을 메워준다.