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

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3382 (2023) Citar este artigo

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O refinamento do 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 artigo, foi investigado o efeito da corrente elétrica no comportamento de solidificação em vários formatos de cavidades de molde. Foram utilizadas cavidades em formato de cilindro, cubo e cubóide projetadas para ter volume de cavidade semelhante. Ao aplicar 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 de dendritos, resultando em núcleos recém-gerados. A dispersão dos núcleos no alumínio não solidificado apareceu de forma diferente de acordo com o formato da cavidade, o que influencia o formato final da zona refinada. A fração de área da zona refinada foi afetada pela relação relativa entre o tempo de conclusão da solidificação e o tempo de aplicação da corrente elétrica. Este estudo fornecerá informações sobre o controle dos parâmetros do processo quando a solidificação assistida eletricamente é aplicada a um produto real com formato complexo.

O controle da microestrutura é essencial com base na compreensão do comportamento de solidificação no processamento de metais líquidos para obter alta resistência e boa ductilidade . 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 numa estrutura de solidificação diferente, devido a uma alteração na taxa de arrefecimento, mesmo que o material tenha exactamente a mesma composição de liga. A consideração do gradiente do campo térmico que afeta a estrutura de solidificação também é essencial para a produção de formas complexas com vários tamanhos de peças fundidas.

Diversas técnicas, como aditivos químicos6,7,8 e métodos de resfriamento rápido9,10 têm sido utilizadas 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. Porém, o primeiro apresenta algumas desvantagens, a saber, 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 utilizando energia externa, incluindo vibração mecânica 13,14,15, agitação eletromagnética 16,17,18,19 e vibração ultrassônica 20,21,22, que podem ser métodos alternativos para obter mecânica propriedades que atendam aos requisitos dos produtos finais. Recentemente, foi proposto um método de fundição utilizando corrente elétrica como fonte externa de energia23,24,25,26. Neste método, uma corrente elétrica é aplicada diretamente ao metal líquido através dos eletrodos durante a solidificação. O refinamento do grão ou modificação da fase é conhecido como o principal efeito quando a corrente elétrica é aplicada ao metal líquido. Em particular, o refinamento do grão foi confirmado por muitos estudos anteriores27,28,29 desde 1985, quando esta 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 Sn-Bi fundida foi diminuído para aproximadamente 400 µm pela aplicação de uma corrente elétrica durante a solidificação. Atualmente, pesquisas sobre refinamento de grãos em ligas de alumínio vêm atraindo atenção, devido à crescente demanda por materiais leves. O tamanho de grão do 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 do grão do alumínio puro diminuiu aproximadamente 82% com a aplicação de corrente elétrica, em comparação com aquele sem aplicação de corrente elétrica.