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

Wanneer gesmolten metaal afkoelt en stolt, krimpt het. Dit is een fundamentele natuurkundige waarheid die iedereen die ooit heeft gezien hoe water bevriest tot ijs, kan observeren, hoewel het effect veel dramatischer is in een oven. Terwijl aluminiumlegeringen transformeren van vloeibaar naar vast, vangen ze vaak zakjes gas op die in de smelt waren opgelost. Als deze gaszakjes niet kunnen ontsnappen, worden ze kleine gaatjes, of poriën, binnenin het afgewerkte metaal. Deze defecten kunnen het materiaal verzwakken, waardoor het gevoelig wordt voor scheuren onder spanning. Voor ingenieurs die vliegtuigen of auto's bouwen, is het begrijpen van precies hoe deze gaatjes ontstaan en waar ze terechtkomen cruciaal. De uitdaging ligt in het feit dat het metaal niet in één keer stolt; in plaats daarvan groeit het in boomachtige structuren die dendrieten worden genoemd. Terwijl deze microscopische takken uitwaaieren om de ruimte te vullen, kunnen ze de weg van opstijgende gasbellen blokkeren, waardoor ze in het uiteindelijke vaste materiaal worden gevangen. Om dit proces duidelijk te zien, moeten onderzoekers kijken op een schaal die te klein is voor het blote oog en met een snelheid die te snel is voor standaardcamera's om vast te leggen.

Om dit puzzelstuk op te lossen, wendde een team onderzoekers van de Xi'an University of Science and Technology en het Suzhou Laboratory zich tot een krachtige combinatie van computersimulatie en realistische observatie. Ze concentreerden zich op een aluminiumlegering die 4,5 procent koper bevat, een materiaal dat breed wordt gebruikt in de industrie. Hun doel was om de complexe dans tussen groeiende metaalkristallen en opstijgende gasbellen in kaart te brengen. Ze bouwden een geavanceerd computermodel dat twee dingen tegelijkertijd kon volgen: de vorm van het stollende metaal en de beweging van de gasbellen binnen de vloeistof. Dit model stelde hen in staat om in slow motion te kijken naar hoe de metaaltakken groeiden en hoe de bellen probeerden op te stijgen door de verdikkende vloeistof. Om ervoor te zorgen dat hun digitale wereld overeenkwam met de werkelijkheid, voerden ze ook fysieke experimenten uit. Ze smolten dezelfde aluminiumlegering, controleerden de hoeveelheid waterstofgas daarin en lieten het op een specifieke manier afkoelen. Vervolgens sneden ze de resulterende metaalstaven in stukken en onderzochten ze met krachtige microscopen en 3D röntgenscanners om precies te zien waar de gaatjes terechtkwamen.

De onderzoekers ontdekten dat het gedrag van een gasbel volledig afhangt van het type metaalstructuur waarmee het te maken krijgt. In één scenario groeit het metaal in een willekeurig, sterachtig patroon dat equiaxiale groei wordt genoemd. Hier schieten de takken in alle richtingen uit en vormen ze snel een verstrengeld net. Naarmate dit net zich aanspant, knijpt het de vloeibare kanalen tussen de takken dicht totdat ze te nauw zijn voor een bel om doorheen te gaan. De bel raakt vastgelopen, gevangen in een klein zakje vloeistof dat uiteindelijk rond de bel stolt. Omdat het metaal in alle richtingen gelijkmatig groeit, blijft de gevangen bel min of meer rond en zit deze geïsoleerd op de plek waar verschillende metaalgrenzen samenkomen. De computersimulaties toonden dit duidelijk aan, en de fysieke experimenten bevestigden het: de röntgenscans onthulden ronde, verspreide gaatjes zonder specifieke richting, precies zoals het model voorspelde.

In een ander scenario groeit het metaal in lange, parallelle kolommen, een patroon dat kolomvormige groei wordt genoemd. Dit gebeurt wanneer warmte in één specifieke richting wordt afgevoerd, waardoor de metaaltakken groeien als een bos van rechte bomen. In deze omgeving hebben de gasbellen een duidelijke route om te reizen. Ze stijgen omhoog, waarbij ze de kanalen tussen de kolommen volgen. Echter, naarmate de kolommen langer en dikker worden, halen ze de bellen uiteindelijk in. De voortschrijdende punten van de metaaltakken duwen de bellen voor zich uit, waardoor ze worden uitgerekt als taffy. In plaats van rond te blijven, verlengen de bellen zich tot lange, wormachtige vormen die perfect uitgelijnd zijn met de richting waarin het metaal groeide. De simulaties toonden aan dat deze bellen in een kettingvormige formatie werden gevangen, en de fysieke experimenten kwamen hier perfect overeen mee. De röntgenbeelden toonden lange, lintvormige poriën die parallel lopen aan de groeirichting, wat bevestigde dat het metaal het gas inderdaad had gevangen en uitgerekt tijdens de stolling.

De studie onthulde ook hoe de snelheid van het vloeibare metaal de vorm van de bellen beïnvloedt voordat ze worden gevangen. Wanneer de vloeistof stilstaat, werkt oppervlaktespanning als een strakke huid die de bel rond houdt. Maar naarmate de vloeistof beweegt of de bel sneller opstijgt, begint de kracht van de bewegende vloeistof de bel af te platten. Als de oppervlaktespanning zwak is, kan de bel zo ver worden uitgerekt dat deze uiteenvalt in twee kleinere bellen, die vervolgens apart opstijgen en later weer kunnen samensmelten. De onderzoekers ontdekten dat de grootte en vorm van de uiteindelijke porie worden bepaald door een touwtrekwedstrijd tussen de drijfkracht die de bel omhoog duwt en de weerstand van het verdikkende metaal die de beweging vertraagt. Ze merkten ook op dat de aanwezigheid van deze bellen de groei van het metaal zelf enigszins vertraagt, omdat de bellen ruimte innemen die anders door het vaste metaal zou worden ingenomen.

Door deze digitale simulaties te combineren met fysiek bewijs, gaf het team een helder beeld van hoe defecten ontstaan in aluminiumgietstukken. Ze toonden aan dat de vorm van een porie niet willekeurig is; het is een direct verslag van hoe het metaal eromheen groeide. Als het metaal in een willekeurig net groeide, zijn de gaatjes rond en verspreid. Als het metaal in rechte lijnen groeide, zijn de gaatjes lang en uitgelijnd. Dit begrip geeft ingenieurs een nieuwe manier om de kwaliteit van metalen onderdelen te voorspellen en te controleren. Door te weten hoe het metaal groeit, kunnen zij het koelproces aanpassen om ofwel de vorming van bellen te voorkomen, ofwel om ervoor te zorgen dat als ze toch ontstaan, ze een vorm en locatie aannemen die het minst schadelijk is voor het uiteindelijke product. Het werk overbrugt de kloof tussen de onzichtbare wereld van de microscopische fysica en de tastbare realiteit van sterke, betrouwbare metaalstructuren.