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

当熔融金属冷却并转变为固体时，它会发生收缩。这是物理学中的一个基本事实，任何观察过水结成冰的人都能观察到这一点，尽管在熔炉中的这种效应要剧烈得多。当铝合金从液体转变为固体时，它们经常会捕捉到溶解在熔体中的气泡。如果这些气泡无法逃逸，就会在成品金属内部形成微小的孔洞或气孔。这些缺陷会削弱材料，使其在压力下容易发生开裂。对于制造飞机或汽车的工程师来说，准确了解这些孔洞是如何形成以及它们最终停留在何处是至关重要的。挑战在于金属并非同时冻结，而是以一种被称为“枝晶”的树状结构生长。随着这些微观分支向外延伸以填充空间，它们可能会阻挡上升的气泡路径，将它们困在最终的固体之中。为了清晰地观察这一过程，研究人员必须在肉眼无法看见的尺度上进行观察，并在标准摄像机无法捕捉的速度下进行观测。

为了破解这个谜题，西安科技大学和苏州实验室的研究团队转向了计算机模拟与现实观察相结合的强大手段。他们专注于一种含有4.5%铜的铝合金，这是一种工业中广泛使用的材料。他们的目标是绘制出生长中的金属晶体与上升的气泡之间复杂的“舞蹈”。他们构建了一个精密的计算机模型，可以同时追踪两件事：固化金属的形状以及气泡在液体中的运动。该模型使他们能够以慢动作观察金属分支如何生长，以及气泡如何试图穿过逐渐变稠的液体向上移动。为了确保数字世界与现实相符，他们还进行了物理实验。他们熔化了相同的铝合金，控制了其中的氢气含量，并以特定的方式使其冷却。随后，他们将生成的金属棒进行切片，并使用高倍显微镜和3D X射线扫描仪进行检查，以精确观察这些孔洞最终停留在何处。

研究人员发现，气泡的行为完全取决于它遇到的金属结构类型。在一种情景中，金属以一种被称为“等轴生长”的随机星状模式生长。在这种情况下，分支向四面八方伸展，迅速形成一张纠缠的网。随着这张网收紧，它会挤压分支之间的液体通道，直到通道变得过于狭窄而无法让气泡通过。气泡因此被卡住，被困在一个最终在其周围冻结的小液滴口袋中。由于金属向各个方向均匀生长，被困的气泡保持大致的圆形，孤立地坐落在几个金属晶粒交汇的接点处。计算机模拟清晰地展示了这一点，物理实验也证实了这一点：X射线扫描显示出圆形的、散布的孔洞，没有特定的方向，正如模型预测的那样。

在另一种情景中，金属以长而平行的柱状生长，这种模式被称为“柱状生长”。当热量被引向一个特定方向时，就会发生这种情况，迫使金属分支像一片笔直的森林一样生长。在这种环境下，气泡有清晰的路径可以行进。它们沿着柱状结构之间的通道向上升起。然而，随着柱状结构变得越来越长、越来越粗，它们最终会追上气泡。前进中的金属分支尖端会将气泡向前推，像拉扯太妃糖一样将它们拉长。气泡不再保持圆形，而是被拉伸成细长的、蠕虫状的形状，并与金属生长的方向完美对齐。模拟显示这些气泡呈链状排列被捕捉，物理实验也完美契合了这一点。X射线图像显示了与生长方向平行的长条状、带状孔隙，证实了金属确实在凝固过程中捕捉并拉伸了气体。

研究还揭示了液态金属的速度如何影响气泡在被捕捉前的形状。当液体静止时，表面张力就像一层紧绷的皮肤，使气泡保持圆形。但当液体运动或气泡上升速度加快时，流动液体的力量开始使气泡扁平化。如果表面张力较弱，气泡会被拉伸得如此厉害，以至于分裂成两个较小的气泡，这两个气泡会分别上升，稍后可能再次合并。研究人员发现，最终孔洞的大小和形状是由向上浮力的推力与减缓气泡上升的金属增稠阻力之间的“拔河”决定的。他们还注意到，这些气泡的存在会略微减缓金属本身的生长速度，因为气泡占据了原本属于固体金属的空间。

通过将这些数字模拟与物理证据相结合，研究团队清晰地描绘了铸造铝件中缺陷形成的图景。他们表明，孔洞的形状并非随机，它是金属围绕其生长的直接记录。如果金属呈随机网状生长，孔洞就是圆形且散布的；如果金属呈直线生长，孔洞就是长条状且对齐的。这种理解为工程师提供了一种预测和控制金属零件质量的新方法。通过了解金属的生长方式，他们可以调整冷却过程，从而要么防止气泡形成，或者确保即使气泡形成，也能使其呈现出对最终产品危害最小的形状和位置。这项工作架起了微观物理学的隐形世界与坚固可靠的金属结构这一实体现实之间的桥梁。