Effetto della forma della cavità sull'evoluzione microstrutturale dell'alluminio puro in ambito elettrico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3382 (2023) Citare questo articolo

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L'affinamento del grano è una questione cruciale nei materiali metallici. Una delle tecniche emergenti per ottenere grani equiassici consiste nell'applicare una corrente elettrica al metallo liquido durante la solidificazione. In quest'ottica, in questo articolo è stato studiato l'effetto della corrente elettrica sul comportamento di solidificazione in varie forme di cavità dello stampo. Sono state utilizzate cavità a forma di cilindro, cubo e cuboide progettate per avere un volume di cavità simile. Applicando una corrente elettrica durante la solidificazione dell'alluminio liquido, i grani sono stati effettivamente raffinati con una dimensione dei grani di circa 350 µm per tutti e tre i tipi di cavità. È stato osservato che il flusso circolante di alluminio liquido ha un'intensità di velocità di taglio simile in tutti e tre i tipi di cavità, che è nota per essere sufficientemente elevata (su centinaia di s−1) da indurre la frammentazione dei dendriti risultanti nei nuclei appena generati. La dispersione dei nuclei sull'alluminio non solidificato è apparsa in modo diverso a seconda della forma della cavità, che influenza la forma finale della zona raffinata. La frazione di area della zona raffinata è stata influenzata dalla relazione relativa tra il tempo di completamento della solidificazione e il tempo di applicazione della corrente elettrica. Questo studio fornirà informazioni sul controllo dei parametri di processo quando la solidificazione elettricamente assistita viene applicata a un prodotto reale con una forma complessa.

Il controllo della microstruttura è essenziale in base alla comprensione del comportamento di solidificazione nella lavorazione del metallo liquido per ottenere elevata resistenza e buona duttilità1,2,3. Il comportamento di solidificazione del metallo liquido è influenzato da vari fattori, quali composizione, flusso di calore nel sistema di solidificazione e qualità del metallo liquido. In particolare, la velocità di raffreddamento durante la solidificazione è un parametro chiave per determinare la struttura di solidificazione4,5. Ad esempio, la modifica della dimensione o della forma della cavità nello stampo può comportare una diversa struttura di solidificazione, a causa di una variazione nella velocità di raffreddamento, anche se il materiale ha esattamente la stessa composizione della lega. La considerazione del gradiente del campo termico che influenza la struttura di solidificazione è essenziale anche per la produzione di forme complesse con parti di fusione di varie dimensioni.

Varie tecniche, come gli additivi chimici6,7,8 e i metodi di raffreddamento rapido9,10, sono state utilizzate per controllare la struttura di solidificazione nell'industria della fusione. Gli additivi chimici sono stati considerati una tecnica comune per affinare o modificare la fase. Anche il metodo di raffreddamento rapido viene spesso adottato per ottenere una struttura di solidificazione fine. Tuttavia, il primo presenta alcuni svantaggi, vale a dire additivi che sbiadiscono e formazione indesiderata di difetti, come pori e elementi intermetallici11,12. Quest'ultimo presenta limitazioni nell'aumento della velocità di raffreddamento, a seconda del materiale dello stampo, della forma del prodotto e dell'ambiente di lavoro. Per superare questi inconvenienti, sono stati introdotti il ​​trattamento del metallo liquido utilizzando energia esterna, comprese le vibrazioni meccaniche13,14,15, l'agitazione elettromagnetica16,17,18,19 e le vibrazioni ultrasoniche20,21,22, che possono essere metodi alternativi per ottenere proprietà che soddisfano i requisiti dei prodotti finali. Recentemente è stato proposto un metodo di fusione che utilizza la corrente elettrica come fonte di energia esterna23,24,25,26. In questo metodo, una corrente elettrica viene applicata direttamente al metallo liquido attraverso gli elettrodi durante la solidificazione. È noto che l'affinamento del grano o la modifica della fase sono l'effetto principale quando la corrente elettrica viene applicata al metallo liquido. In particolare, l'affinamento del grano è stato confermato da molti studi precedenti27,28,29 a partire dal 1985, quando questa tecnica fu segnalata per la prima volta30. In vari metalli, comprese le leghe Pb-Sn31,32,33 e le leghe Cu-Bi-Sn34,35, i grani venivano efficacemente raffinati applicando una corrente elettrica durante la solidificazione. Ad esempio, la dimensione del grano di 1700 µm nella lega Sn-Bi grezza è stata ridotta a circa 400 µm applicando una corrente elettrica durante la solidificazione. Attualmente, la ricerca sull’affinamento del grano nelle leghe di alluminio sta attirando l’attenzione, a causa della crescente domanda di materiali leggeri. La dimensione del grano dell'alluminio puro (Al)27,28,29,36 e dell'α-Al nelle leghe Al-Si37,38 viene significativamente ridotta applicando corrente elettrica durante la solidificazione. Raiger et al.29 hanno riferito che la dimensione del grano dell'alluminio puro diminuiva di circa l'82% con l'applicazione di corrente elettrica, rispetto a quella senza applicazione di corrente elettrica.