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

Quando o metal fundido arrefece e se transforma em sólido, ele encolhe. Esta é uma verdade fundamental da física que qualquer pessoa que já tenha observado a água congelar em gelo pode observar, embora o efeito seja muito mais dramático numa fundição. À medida que as ligas de alumínio se transformam de líquido para sólido, elas frequentemente aprisionam bolsas de gás que estavam dissolvidas no fundido. Se estas bolsas de gás não conseguirem escapar, tornam-se pequenos buracos, ou poros, no interior do metal acabado. Estes defeitos podem enfraquecer o material, tornando-o propenso a fissuras sob tensão. Para engenheiros que constroem aeronaves ou automóveis, compreender exatamente como estes buracos se formam e onde acabam é crítico. O desafio reside no facto de o metal não congelar todo de uma vez; em vez disso, cresce em estruturas semelhantes a árvores chamadas dendritos. À medida que estes ramos microscópicos se estendem para preencher o espaço, eles podem bloquear o caminho de bolhas de gás ascendentes, aprisionando-as no sólido final. Para ver este processo claramente, os investigadores devem olhar para uma escala demasiado pequena para o olho nu e uma velocidade demasiado rápida para câmaras padrão capturarem.

Para resolver este enigma, uma equipa de investigadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Xi'an e do Laboratório de Suzhou recorreu a uma combinação poderosa de simulação computacional e observação do mundo real. Eles focaram-se numa liga de alumínio contendo 4,5 por cento de cobre, um material amplamente utilizado na indústria. O seu objetivo era mapear a complexa dança entre o crescimento dos cristais de metal e a ascensão das bolhas de gás. Eles construíram um modelo computacional sofisticado que podia rastrear duas coisas ao mesmo tempo: a forma do metal em solidificação e o movimento das bolhas de gás dentro do líquido. Este modelo permitiu-lhes observar, em câmara lenta, como os ramos do metal cresciam e como as bolhas de gás tentavam subir através do líquido que engrossava. Para garantir que o seu mundo digital correspondia à realidade, eles também realizaram experiências físicas. Eles fundiram a mesma liga de alumínio, controlaram a quantidade de gás hidrogénio no seu interior e deixaram-no arrefecer de uma forma específica. Depois, cortaram as barras de metal resultantes e examinaram-nas com microscópios de alta potência e scanners de raios X 3D para ver exatamente onde os buracos foram parar.

Os investigadores descobriram que o comportamento de uma bolha de gás depende inteiramente do tipo de estrutura de metal que ela encontra. Num cenário, o metal cresce num padrão aleatório, semelhante a uma estrela, conhecido como crescimento equiaxial. Aqui, os ramos disparam em todas as direções, formando rapidamente uma rede emaranhada. À medida que esta rede se aperta, ela espreme os canais de líquido entre os ramos até que estes sejam demasiado estreitos para uma bolha passar. A bolha fica presa, aprisionada num pequeno bolso de líquido que eventualmente congela à sua volta. Como o metal cresce igualmente em todas as direções, a bolha aprisionada permanece aproximadamente redonda, situada isoladamente na junção onde vários grãos de metal se encontram. As simulações computacionais mostraram isto claramente, e as experiências físicas confirmaram-no: os scans de raios X revelaram buracos redondos e dispersos, sem uma direção específica, tal como o modelo previu.

Num cenário diferente, o metal cresce em colunas longas e paralelas, um padrão chamado crescimento colunar. Isto acontece quando o calor é extraído numa direção específica, forçando os ramos do metal a crescer como uma floresta de árvores retas. Neste ambiente, as bolhas de gás têm um caminho claro para percorrer. Elas sobem, seguindo os canais entre as colunas. No entanto, à medida que as colunas crescem mais longas e espessas, elas acabam por alcançar as bolhas. As pontas avançadas dos ramos de metal empurram as bolhas, esticando-as como se fossem um doce de caramelo (taffy). Em vez de permanecerem redondas, as bolhas alongam-se em formas de vermes longos que se alinham perfeitamente com a direção em que o metal estava a crescer. As simulações mostraram estas bolhas a ficarem presas numa formação em cadeia, e as experiências físicas coincidiram perfeitamente com isto. As imagens de raios X mostraram poros longos, semelhantes a fitas, correndo paralelos à direção do crescimento, confirmando que o metal tinha de facto capturado e esticado o gás enquanto solidificava.

O estudo também revelou como a velocidade do metal líquido afeta a forma das bolhas antes de serem aprisionadas. Quando o líquido está parado, a tensão superficial atua como uma pele apertada, mantendo a bolha redonda. Mas à medida que o líquido se move ou a bolha sobe mais depressa, a força do líquido em movimento começa a achatar a bolha. Se a tensão superficial for fraca, a bolha pode esticar-se tanto que se parte em duas bolhas menores, que depois sobem separadamente e podem fundir-se novamente mais tarde. Os investigadores descobriram que o tamanho e a forma do poro final são determinados por um cabo de guerra entre a flutuabilidade que empurra a bolha para cima e a resistência do metal que engrossa, que a abranda. Eles também notaram que a presença destas bolhas abranda ligeiramente o próprio crescimento do metal, uma vez que as bolhas ocupam o espaço que o metal sólido ocuparia de outra forma.

Ao combinar estas simulações digitais com a prova física, a equipa forneceu uma imagem clara de como os defeitos se formam em fundições de alumínio. Eles mostraram que a forma de um poro não é aleatória; é um registo direto de como o metal cresceu em torno dele. Se o metal cresceu como uma rede aleatória, os buracos são redondos e dispersos. Se o metal cresceu em linhas retas, os buracos são longos e alinhados. Este entendimento dá aos engenheiros uma nova forma de prever e controlar a qualidade das peças metálicas. Ao saberem como o metal cresce, eles podem ajustar o processo de arrefecimento para evitar a formação de bolhas ou para garantir que, se se formarem, terminem num formato e localização que sejam menos prejudiciais para o produto final. O trabalho faz a ponte entre o mundo invisível da física microscópica e a realidade tangível de estruturas metálicas fortes e fiáveis.