Efeito da forma da cavidade na evolução microestrutural do alumínio puro em eletricamente

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3382 (2023) Cite este artigo

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O refinamento de grão é uma questão crucial em materiais metálicos. Uma das técnicas emergentes para obter grãos equiaxiais é aplicar uma corrente elétrica ao metal líquido durante a solidificação. Com essa visão, neste trabalho, investigou-se o efeito da corrente elétrica no comportamento da solidificação em vários formatos de cavidade de molde. Cavidades cilíndricas, cúbicas e cubóides projetadas para ter volume de cavidade semelhante foram usadas. Aplicando uma corrente elétrica durante a solidificação do alumínio líquido, os grãos foram efetivamente refinados com um tamanho de grão de aproximadamente 350 µm para todos os três tipos de cavidades. Observou-se que o fluxo circulante de alumínio líquido tem uma intensidade de taxa de cisalhamento semelhante em todos os três tipos de cavidades, que é conhecida por ser suficientemente alta (mais de centenas de s-1) para induzir a fragmentação dendrítica resultante de núcleos recém-gerados. A dispersão dos núcleos no alumínio não solidificado apareceu de forma diferente de acordo com a forma da cavidade, que influencia a forma final da zona refinada. A fração de área da zona refinada foi afetada pela relação relativa entre o tempo de finalização da solidificação e o tempo de aplicação da corrente elétrica. Este estudo fornecerá informações para o controle dos parâmetros do processo quando a solidificação eletricamente assistida é aplicada a um produto real com uma forma complexa.

O controle da microestrutura é essencial com base na compreensão do comportamento de solidificação no processamento de metal líquido para obter alta resistência e boa ductilidade1,2,3. O comportamento de solidificação do metal líquido é influenciado por vários fatores, como composição, fluxo de calor no sistema de solidificação e qualidade do metal líquido. Em particular, a taxa de resfriamento durante a solidificação é um parâmetro chave para determinar a estrutura de solidificação4,5. Por exemplo, alterar o tamanho ou a forma da cavidade no molde pode resultar em uma estrutura de solidificação diferente, devido a uma alteração na taxa de resfriamento, mesmo que o material tenha exatamente a mesma composição de liga. A consideração do gradiente de campo térmico que afeta a estrutura de solidificação também é essencial para a produção de formas complexas com vários tamanhos de peças fundidas.

Várias técnicas, como aditivos químicos6,7,8 e métodos de resfriamento rápido9,10, têm sido usadas para controlar a estrutura de solidificação na indústria de fundição. Os aditivos químicos têm sido considerados uma técnica comum para refinar ou modificar a fase. O método de resfriamento rápido também é frequentemente adotado para obter uma estrutura de solidificação fina. No entanto, o primeiro apresenta algumas desvantagens, como aditivos de desbotamento e formação indesejável de defeitos, como poros e intermetálicos11,12. Este último tem limitações no aumento da taxa de resfriamento, dependendo do material do molde, formato do produto e ambiente de trabalho. Para superar essas desvantagens, foi introduzido o tratamento de metal líquido usando energia externa, incluindo vibração mecânica13,14,15, agitação eletromagnética16,17,18,19 e vibração ultrassônica20,21,22, que podem ser métodos alternativos para obter propriedades que atendem aos requisitos dos produtos finais. Recentemente, um método de fundição usando uma corrente elétrica como fonte de energia externa foi proposto23,24,25,26. Neste método, uma corrente elétrica é aplicada diretamente ao metal líquido através dos eletrodos durante a solidificação. Sabe-se que o refinamento do grão ou modificação da fase é o principal efeito quando a corrente elétrica é aplicada ao metal líquido. Em particular, o refinamento de grão foi confirmado por muitos estudos anteriores27,28,29 desde 1985, quando essa técnica foi relatada pela primeira vez30. Em vários metais, incluindo ligas Pb-Sn31,32,33 e ligas Cu-Bi-Sn34,35, os grãos foram efetivamente refinados pela aplicação de uma corrente elétrica durante a solidificação. Por exemplo, o tamanho de grão de 1700 µm na liga fundida Sn-Bi foi reduzido para aproximadamente 400 µm pela aplicação de uma corrente elétrica durante a solidificação. Atualmente, pesquisas sobre refino de grãos em ligas de alumínio vêm chamando a atenção, devido à crescente demanda por materiais leves. O tamanho de grão de alumínio puro (Al)27,28,29,36 e α-Al em ligas Al-Si37,38 é significativamente reduzido pela aplicação de corrente elétrica durante a solidificação. Raiger et al.29 relataram que o tamanho de grão do alumínio puro diminuiu cerca de 82% com a aplicação de corrente elétrica, em comparação com aquele sem aplicação de corrente elétrica.