Effet de la forme de la cavité sur l'évolution microstructurale de l'aluminium pur dans électriquement

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3382 (2023) Citer cet article

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Le raffinement des grains est un enjeu crucial dans les matériaux métalliques. L'une des techniques émergentes pour obtenir des grains équiaxes consiste à appliquer un courant électrique au métal liquide lors de la solidification. Dans cette optique, dans cet article, l'effet du courant électrique sur le comportement de solidification dans diverses formes de cavité de moule a été étudié. Des cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde conçues pour avoir un volume de cavité similaire ont été utilisées. En appliquant un courant électrique lors de la solidification de l'aluminium liquide, les grains ont été efficacement affinés avec une granulométrie d'environ 350 µm pour les trois types de cavités. Il a été observé que le flux circulant d'aluminium liquide avait une intensité de taux de cisaillement similaire dans les trois types de cavités, qui est connue pour être suffisamment élevée (sur des centaines de s-1) pour induire une fragmentation des dendrites résultant des noyaux nouvellement générés. La dispersion des noyaux sur l'aluminium non solidifié apparaît différemment selon la forme de la cavité, ce qui influence la forme finale de la zone raffinée. La fraction de surface de la zone raffinée a été affectée par la relation relative entre le temps d'achèvement de la solidification et le temps d'application du courant électrique. Cette étude fournira un aperçu du contrôle des paramètres du procédé lorsque la solidification assistée électriquement est appliquée à un produit réel de forme complexe.

Le contrôle de la microstructure est essentiel sur la base de la compréhension du comportement de solidification dans le traitement des métaux liquides pour obtenir une résistance élevée et une bonne ductilité1,2,3. Le comportement de solidification du métal liquide est influencé par divers facteurs, tels que la composition, le flux de chaleur dans le système de solidification et la qualité du métal liquide. En particulier, la vitesse de refroidissement lors de la solidification est un paramètre clé pour déterminer la structure de solidification4,5. Par exemple, la modification de la taille ou de la forme de la cavité dans le moule peut entraîner une structure de solidification différente, en raison d'une modification de la vitesse de refroidissement, même si le matériau a exactement la même composition d'alliage. La prise en compte du gradient de champ thermique affectant la structure de solidification est également essentielle pour la production de formes complexes avec différentes tailles de pièces moulées.

Diverses techniques, telles que les additifs chimiques6,7,8 et les méthodes de refroidissement rapide9,10 ont été utilisées pour contrôler la structure de solidification dans l'industrie de la fonderie. Les additifs chimiques ont été considérés comme une technique courante pour affiner ou modifier la phase. La méthode de refroidissement rapide est également fréquemment adoptée pour obtenir une structure de solidification fine. Cependant, le premier présente quelques inconvénients, à savoir des additifs de décoloration et la formation indésirable de défauts, tels que des pores et des intermétalliques11,12. Ce dernier a des limites pour augmenter la vitesse de refroidissement, en fonction du matériau du moule, de la forme du produit et de l'environnement de travail. Pour surmonter ces inconvénients, le traitement du métal liquide utilisant une énergie externe, y compris les vibrations mécaniques13,14,15, l'agitation électromagnétique16,17,18,19 et les vibrations ultrasonores20,21,22, ont été introduits, qui peuvent être des méthodes alternatives pour obtenir des propriétés mécaniques répondant aux exigences des produits finaux. Récemment, une méthode de coulée utilisant un courant électrique comme source d'énergie externe a été proposée23,24,25,26. Dans cette méthode, un courant électrique est appliqué directement au métal liquide à travers les électrodes lors de la solidification. L'affinement du grain ou la modification de la phase est connu pour être le principal effet lorsqu'un courant électrique est appliqué au métal liquide. En particulier, le raffinement du grain a été confirmé par de nombreuses études antérieures27,28,29 depuis 1985, date à laquelle cette technique a été signalée pour la première fois30. Dans divers métaux, y compris les alliages Pb-Sn31,32,33 et les alliages Cu-Bi-Sn34,35, les grains ont été efficacement raffinés en appliquant un courant électrique pendant la solidification. Par exemple, la taille de grain de 1700 µm dans l'alliage Sn-Bi brut de coulée a été réduite à environ 400 µm en appliquant un courant électrique pendant la solidification. Actuellement, la recherche sur le raffinement du grain dans les alliages d'aluminium attire l'attention, en raison de la demande croissante de matériaux légers. La granulométrie de l'aluminium pur (Al)27,28,29,36 et de l'α-Al dans les alliages Al–Si37,38 est considérablement réduite en appliquant un courant électrique pendant la solidification. Raiger et al.29 ont rapporté que la granulométrie de l'aluminium pur diminuait d'environ 82 % avec l'application d'un courant électrique, par rapport à celle sans application d'un courant électrique.

Diverses hypothèses, y compris la fragmentation des dendrites et les effets de chauffage Joule, ont été proposées pour comprendre l'effet du courant électrique sur la solidification du métal. L'effet de fragmentation des dendrites est fréquemment suggéré comme l'une des principales hypothèses d'affinement du grain par l'application d'un courant électrique. Cette hypothèse a été proposée par des chercheurs qui ont confirmé l'existence de l'écoulement forcé de métal liquide, provoqué par la force de Lorentz, sous un courant électrique par simulation numérique28,29. Ils ont rapporté que le flux forcé de métal liquide dû à la force de Lorentz induite par le courant électrique pouvait générer des fragments de dendrites précédemment développées, conduisant à un raffinement du grain en fournissant des noyaux supplémentaires. Wang et al.39 ont effectué des observations in situ de l'évolution de la morphologie des dendrites lors de la solidification sous un courant électrique, basées sur la technique d'imagerie par rayonnement synchrotron. Il a été suggéré que la morphologie de la dendrite a été modifiée par chauffage Joule à la pointe de la dendrite. Li et al.24 ont également conclu que le chauffage Joule induit par le courant augmentait le taux de nucléation, entraînant un raffinement du grain dans l'aluminium pur. Cependant, le mécanisme sous-jacent de l'effet du courant électrique sur la structure de solidification reste controversé.

Bien que le mécanisme sous-jacent ne soit pas encore clairement établi, des études pratiques sont nécessaires pour envisager cette technique dans l'industrie réelle. Ma et al.40 ont étudié la structure de solidification de l'aluminium pur avec différentes configurations d'électrodes. La position des électrodes et la distance entre les électrodes ont été définies comme variables. Ils ont découvert que la portion de surface de grain raffiné pouvait être influencée par la position de l'électrode. Cependant, peu d'études ont considéré la configuration instrumentale à travers des études systématiques. Au meilleur de notre connaissance, aucune étude n'a considéré la forme de la cavité du moule sous une application de courant électrique pendant la solidification.

Cette étude vise à déterminer la corrélation entre la forme de la cavité et la structure de solidification sous l'application d'un courant électrique lors de la solidification. L'aluminium pur a été sélectionné comme matériau représentatif pour minimiser divers facteurs dus aux éléments d'alliage. Nous avons préparé trois types de cavités avec différentes formes de cavité tout en fixant le volume de la cavité. L'effet du courant électrique sur le raffinement du grain basé sur l'observation macro- et microstructurale a été analysé. Une modélisation numérique basée sur la dynamique des fluides a également été réalisée en considérant l'effet du courant électrique sur l'aluminium liquide. Enfin, l'effet du courant électrique sur le comportement de solidification a été discuté, en mettant l'accent sur la forme de la cavité, sur la base d'approches expérimentales et numériques.

Des moules en sable avec trois types de formes de cavité, à savoir cylindre, cube et cuboïde, ont été préparés, comme indiqué sur les figures 1a à c. Pour exclure l'effet de la capacité de l'aluminium liquide lors de la solidification, le volume intérieur d'une cavité est maintenu presque constant, comme le montre la figure 1d. Chaque moule a une dimension intérieure de 60 mm × 120 mm (diamètre × hauteur) pour le cylindre, 70 mm × 70 mm × 70 mm (largeur × profondeur × hauteur) pour le cube, et 120 mm × 60 mm × 50 mm (largeur × profondeur × hauteur) pour les cavités de forme cuboïde. Dans l'ordre des cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde, la surface supérieure ou inférieure augmente, tandis que la surface latérale diminue, comme indiqué sur la figure 1d. Le fond intérieur était équipé d'une plaque de cuivre pour obtenir une solidification directionnelle de bas en haut.

Configuration instrumentale pour (a) les cavités en forme de cylindre, (b) en cube et (c) en forme de cuboïde. (d) Volume et surface de chaque forme de cavité.

Deux électrodes STS304 parallèles ont été immergées dans de l'aluminium liquide à partir de la surface supérieure à des profondeurs de 60, 35 et 25 mm pour les cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde, respectivement. La paroi latérale de l'électrode était recouverte d'alumine. La distance entre les électrodes a été fixée à 40 mm dans les cavités en forme de cylindre et de cube et à 70 mm dans la cavité en forme de cuboïde. La température de l'aluminium liquide pendant la solidification a été enregistrée à l'aide d'un thermocouple de type K aux hauteurs médiane et supérieure du moule au centre du diamètre ou de la largeur de chaque moule. Dans la cavité de forme cuboïde, la température à côté de l'électrode a également été mesurée pour analyser l'effet de thermogradient dans la direction x, comme le montre la figure 1c. Le taux d'échantillonnage de la température était de 100 ms/point et la résolution de la température mesurée était de 0,1 °C avec le système d'enregistrement de données (GL240, Graphtech Corporation).

Des lingots d'aluminium pur commercial (1,5 kg) (> 99,7 %) ont été fondus dans un four de fusion à haute fréquence à l'aide d'un creuset en graphite. Lorsque la température de l'aluminium liquide a atteint 760 °C, un dégazage a été effectué. Après stabilisation pendant 5 minutes, de l'aluminium liquide a été versé dans un moule en sable et des électrodes ont été insérées. Le moule en sable et les électrodes ont été préchauffés à 150 ° C pour empêcher la formation d'une coque solide à partir de la surface en raison d'une solidification rapide. En solidification assistée électriquement (ci-après solidification EA), lorsque la température de l'aluminium liquide atteint 665 °C à mi-hauteur du moule, ce qui est proche de la température de fusion, un courant continu de 300 A est appliqué pendant 108 s. Pour refléter l'effet des électrodes insérées dans le métal liquide, l'électrode a été insérée même pendant la solidification sans appliquer de courant électrique (ci-après, solidification non-EA). Toutes les expériences de moulage ont été réalisées en une journée afin de minimiser les écarts expérimentaux causés par divers facteurs environnementaux tels que les conditions du moule, la température ambiante et l'humidité. Pour cette raison, le nombre d'expériences répétitives a été fixé à deux pour chaque condition expérimentale.

Une fois la solidification terminée, l'échantillon a été sectionné longitudinalement parallèlement aux électrodes pour observer la macrostructure (plan YZ). Le plan en coupe a été gravé avec une solution contenant 20 ml de HCl, 20 ml de HNO3, 20 ml de H2O et 5 ml de HF. La fraction de la zone raffinée a été analysée à l'aide d'un logiciel open source ImageJ version 1.53e (disponible sur https://imagej.nih.gov/ij/). Pour observer la microstructure, les spécimens ont été broyés mécaniquement à 1 µm et gravés électrolytiquement en utilisant une solution Barker standard à 25 V pendant 15 min. Cinq images ont été analysées par spécimen à l'aide d'un microscope à polarisation (NICON ECLIPSE MA200) et la taille des grains a été mesurée quantitativement à l'aide d'un logiciel d'analyse d'images (IMT i-solution Inc I Solution DT-L).

L'analyse numérique a été effectuée à l'aide de COMSOL Multiphysics 5.0 (COMSOL Inc., USA) pour vérifier le phénomène d'écoulement de l'aluminium pur liquide auquel un courant électrique a été appliqué. L'équation de Navier-Stokes a été introduite comme équation déterminante pour le flux d'aluminium pur liquide, et un terme de force externe a été ajouté pour déterminer l'effet de la force électromagnétique (c'est-à-dire la force de Lorentz). Pour appliquer un effet électromagnétique, nous avons également utilisé une forme généralisée de relations constitutives pour les champs électriques et magnétiques. De plus, une équation de conservation d'énergie formulée en termes de température a été utilisée pour identifier l'échauffement électromagnétique de l'aluminium liquide. Plus de détails concernant les équations sont donnés dans notre article précédent (voir Informations supplémentaires)41. La surface supérieure du moule a été désignée comme une limite ouverte, alors qu'aucune condition de paroi de glissement n'a été appliquée aux autres surfaces. De plus, la condition de flux de chaleur par convection a été appliquée pour réaliser le refroidissement par refroidissement à la surface inférieure du moule. Pour les trois types de cavités, le domaine de calcul global a été discrétisé par des mailles tétraédriques libres (taille maximale de 3 mm, taille minimale de 0,03 mm et taux de croissance maximal de 1,13), et une étude numérique a été réalisée à l'aide d'un solveur dépendant du temps sur une plage de 0 à 15 s.

Les courbes de refroidissement de la solidification non EA qui ont été mesurées à mi-hauteur du moule pour trois types de formes de cavité sont présentées à la Fig. 2a. Le métal liquide a commencé à se solidifier à 660 °C, qui est la température de fusion de l'aluminium pur. Afin d'évaluer la vitesse de refroidissement macroscopique après avoir versé de l'aluminium liquide dans chaque forme de cavité, la vitesse de refroidissement a été calculée à partir du changement de température sur 25 s avant d'atteindre la température de fusion de 660 ° C à mi-hauteur du moule. Il a été mesuré à 1, 7, 2, 3 et 2, 7 ° C / s dans les cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde, respectivement (Fig. 2b). Le temps d'achèvement de la solidification a été défini comme la période maintenue à 660°C depuis le début jusqu'à la fin de la solidification. Plus la zone inférieure ou supérieure est grande et plus la hauteur du moule est courte (Fig. 1d), plus la vitesse de refroidissement est rapide et plus le temps de solidification est court. Le changement du temps d'achèvement de la solidification en fonction de la forme de la cavité peut être bien expliqué en se référant à la règle de Chvorinov modifiée42, qui reflète la différence de forme ainsi que le volume de la cavité.

(a) Courbe de refroidissement mesurée à mi-hauteur du moule, et (b) vitesse de refroidissement des cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde sans appliquer de courant électrique pendant la solidification (solidification non-EA). La ligne pleine et pointillée en (a) sont les résultats d'expériences répétées pour confirmer la reproductibilité.

Lorsqu'un courant électrique est appliqué à l'aluminium liquide, une fluctuation de la courbe de refroidissement est observée (Fig. 3a–c). La température de fusion de 660 ° C a été observée, ce qui équivaut à une solidification non EA. Ici, la vitesse de refroidissement entre 665 ° C (la température à laquelle le courant électrique commence à être appliqué) et 660 ° C (température de fusion) a été définie comme la vitesse de refroidissement locale pour comparer l'effet du courant électrique sur la vitesse de refroidissement à chaque forme de cavité. Notez que la vitesse de refroidissement locale est également calculée pour la solidification non-EA (Fig. 3d), qui diffère de la vitesse de refroidissement macroscopique illustrée à la Fig. 2b. La vitesse de refroidissement local dans la solidification EA était supérieure à celle de la solidification non EA dans les trois types de cavités (Fig. 3d). Dans la solidification non EA et EA, aucun sous-refroidissement n'a été observé dans aucun des trois types de cavités. Notez que le sous-refroidissement n'a pas été observé, malgré le fait que la vitesse de refroidissement local a augmenté immédiatement après l'application d'un courant électrique.

Comparaison de la courbe de refroidissement entre la solidification non-EA et la solidification EA de (a) le cylindre, (b) le cube et (c) les cavités en forme de cuboïde. (d) Taux de refroidissement local à chaque forme de cavité.

La macrostructure du plan YZ en solidification non EA et EA est illustrée à la Fig. 4a. Dans la solidification non EA, des grains colonnaires grossiers, qui sont des structures de solidification typiques, sont développés dans les cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde. Étant donné que les grains dans la solidification non-EA ont une forme colonnaire allongée, les axes principal et secondaire des grains ont été calculés pour évaluer la taille des grains. Comme le montre la figure 4b, les longueurs moyennes des axes principal et secondaire du grain ont été mesurées à ~ 11 mm et ~ 3 mm pour les trois types de cavités, respectivement. La direction de croissance des grains est presque parallèle à la direction ascendante, en raison de la solidification directionnelle. En revanche, dans la solidification EA, des grains équiaxes ont été clairement observés dans les trois types de cavités. Les grains colonnaires observés dans la région inférieure lors de la solidification EA se sont solidifiés avant l'application d'un courant électrique.

(a) Macrostructure et microstructure dans la zone longitudinale (plan YZ). Taille moyenne des grains : (b) solidification non EA (grand et petit axe) et (c) solidification EA (dans la zone raffinée). ( d ) Rapport d'aspect du grain dans la solidification non EA et la solidification EA pour les cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde.

Dans la solidification EA, la morphologie des grains raffinés présente une forme équiaxe dans les zones centrale et latérale, et les grains sont uniformément répartis dans la zone raffinée, comme le montre la figure 4a. De plus, aucune différence dans la morphologie des grains selon la forme de la cavité n'a été observée. La taille des grains dans la zone raffinée a été mesurée pour les zones centrale et latérale du plan YZ et était similaire à environ 350 µm pour chaque cavité (Fig. 4c). Notez que les grains sont effectivement raffinés à ~ 350 µm dans la solidification EA, par rapport à la taille de grain de plusieurs millimètres mesurée dans la solidification non-EA. En outre, une valeur de rapport d'aspect inférieure de 1, 6 ~ 1, 7 dans la solidification EA a été confirmée en raison de la forme relativement équiaxe du grain dans les trois types de formes de cavité par rapport à 3, 3 ~ 4, 6 dans la solidification non EA (Fig. 4d).

Une simulation numérique a été réalisée pour étudier l'effet de l'application d'un courant électrique sur la solidification basée sur la dynamique des fluides. Lorsqu'un courant électrique est appliqué à de l'aluminium liquide, un flux du champ de densité de courant électrique est généré dans les trois types de cavités; en particulier, une ligne de courant du champ de densité de courant électrique est densément développée dans la direction descendante de l'électrode (Fig. 5a). Entre les électrodes, le champ de densité du courant électrique s'est formé horizontalement. Dans la carte de force de Lorentz (Fig. 5b), l'intensité de la force de Lorentz était la plus élevée sous les électrodes. Les intensités maximales de la force de Lorentz développée dans le plan XY sont de 1,90 × 105, 1,50 × 105 et 1,73 × 105 N/mm3 pour les cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde, respectivement.

( a ) Carte de densité de courant électrique et ( b ) Carte de force de Lorentz pour les cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde à partir de la simulation numérique.

Les cartes de vitesse 3D de l'écoulement de la Fig. 6 montrent un écoulement circulant clair pour les trois types de cavités. Dans des études précédentes, il a été rapporté que l'écoulement forcé de métal liquide se produit par l'application d'un courant électrique en raison de l'interaction du courant électrique, du champ magnétique et de la force de Lorentz28,29,41. La configuration du flux circulant dépend de la forme de la cavité. Dans la cavité en forme de cylindre, l'écoulement descendant d'aluminium liquide se produit depuis le dessous des électrodes, et l'écoulement ascendant dans une direction tournée de 90° par rapport à l'écoulement descendant. Flux de circulation développé sous la forme de quatre divisions. (Fig. 6a). Pour les cavités en forme de cube et de cuboïde, un fort flux descendant sous les électrodes a été observé. Cependant, un flux circulant à trois couches composé de deux flux ascendants et d'un flux descendant a été développé, qui étaient parallèles au plan XZ. Dans la cavité en forme de cube avec une distance inter-électrode plus longue, il faut plus de temps pour former un flux à trois couches que dans une cavité en forme de cube avec une distance inter-électrode plus courte. Le comportement de circulation de l'aluminium liquide varie en fonction de la forme de la cavité, mais les vitesses des écoulements ascendants et descendants sont calculées avec des intensités similaires de 0,05 à 0,08 m/s pour les trois types de cavités. L'augmentation instantanée de la vitesse de refroidissement local en appliquant un courant électrique sur la figure 3d peut s'expliquer par l'accélération du refroidissement de l'aluminium liquide due au flux de circulation. Les cartes 2D de vitesse, de température et de taux de cisaillement dans le plan YZ pour chaque forme de cavité à partir de la simulation numérique avec le temps sont décrites en détail dans les Fig. S1–3 dans Informations supplémentaires.

Carte de vitesse 3D pour (a) le cylindre, (b) le cube et (c) les cavités en forme de cuboïde à partir de la simulation numérique.

Comme le volume d'aluminium liquide et l'intensité du courant électrique appliqué étaient les mêmes dans les trois types de cavités, la valeur maximale du taux de cisaillement était similaire, environ 400 s−1 pour les trois types de cavités (Fig. 7). Semblable à la force de Lorentz, il a été confirmé que l'intensité du taux de cisaillement est la plus élevée sous les électrodes. Dans des études antérieures sur les caractéristiques rhéologiques de l'aluminium, un taux de cisaillement de l'ordre de centaines par seconde est connu pour induire la rupture de l'agglomération des particules, entraînant la modification de la microstructure, y compris la taille et la morphologie des grains (ou microparticules)43,44. Par conséquent, dans des conditions expérimentales sélectives dans cette étude, on s'attend à ce que l'intensité du taux de cisaillement soit suffisante pour générer une nucléation supplémentaire par fragmentation des dendrites, et par conséquent affiner la microstructure lors de la solidification de l'EA.

Carte du taux de cisaillement pour les cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde à partir de la simulation numérique.

Plus en détail, dans la solidification EA, la dendrite formée au niveau de la paroi du moule peut être fragmentée et des pointes de dendrite fragmentées peuvent être délivrées dans la région non solidifiée en raison de l'écoulement forcé d'aluminium liquide. Ces pointes de dendrites fragmentées peuvent servir de sites de nucléation supplémentaires si la taille de la pointe de dendrite fragmentée est supérieure au rayon critique des noyaux. De plus, une nouvelle nucléation hétérogène peut être nouvellement formée dans un substrat solide dont les noyaux ou les dendrites sont séparés par fragmentation des dendrites. Cela peut affecter l'augmentation du nombre de noyaux. L'augmentation du nombre de noyaux par fragmentation des dendrites induite par le flux forcé d'aluminium liquide devrait avoir un effet significatif sur le raffinement du grain dans la solidification EA par rapport à la solidification non EA.

En ce qui concerne la forme de la cavité dans la solidification EA, la taille des grains raffinés montre des valeurs similaires dans les trois types de cavités. Le nombre de noyaux par unité de volume peut être prédit à partir de la taille des grains45. Par conséquent, le nombre de noyaux par unité de volume devrait être similaire dans les trois types de cavités. En se référant à l'équation de Gibbs-Thomson-Ferreira pour la nucléation basée sur le gradient de champ thermique46, le rayon critique (${r}_{c}$) pour une nucléation homogène et hétérogène hors d'équilibre peut être donné par

où $\Delta T$ est le sous-refroidissement et ${\Gamma }$ est le coefficient de Gibbs-Thomson. Le coefficient de Gibbs – Thomson peut être exprimé comme

où $\vec{r}$ est le rayon du vecteur, $\nabla {\mathbf{T}}$ est le gradient thermique normal à la surface de $A\left( {\vec{r}} \right)$, et $\hat{n}$ est le vecteur normal unitaire46. Surtout pour $\nabla {\mathbf{T}}$,

où $V, P, C_{i}$ et $T$ sont le volume, la pression, l'espèce et la température46. Étant donné que les trois formes de cavité ont des volumes de cavité similaires, la même composition que l'aluminium pur et la même condition de pression (~ 1 atm), on peut supposer que $\nabla {\mathbf{T}}$ est principalement lié à $\nabla T$. Dans notre expérience, la cavité en forme de cuboïde a une plus grande surface qu'une cavité en forme de cylindre, de sorte que le gradient de température dans la cavité en forme de cuboïde est le plus petit parmi trois types de cavités. Par conséquent, le gradient thermique dans la cavité de forme cuboïde devrait également être le plus petit parmi les trois types de forme de cavité. Cela signifie que le rayon critique des noyaux dans la cavité de forme cuboïde est le plus petit, alors qu'il est le plus grand dans la cavité en forme de cylindre (${r}_{critical, cuboid}< {r}_{critical, cube}<{r}_{critical, cylinder})$. Les noyaux plus grands que le rayon critique des noyaux (${r}_{critical}$) dans chaque forme de cavité survivront et se développeront en grains de cristal. En outre, plus la taille du rayon critique des noyaux est petite, plus le nombre de noyaux survivants pour la croissance des grains est élevé parmi les différentes tailles de pointes de dendrites fragmentées. Par conséquent, le nombre de noyaux effectifs devrait être le plus élevé dans la cavité de forme cuboïde, tandis que le plus faible dans la cavité de forme cylindrique. En particulier, dans une cavité en forme de cylindre, certains noyaux peuvent être refondus en raison du temps de séjour relativement long à la température de fusion. Par conséquent, le nombre total de noyaux effectifs par temps (${\raise0.7ex\hbox{${N_{{noyaux}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{noyaux}} } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$) devrait être : cavité de forme cuboïde > cube- cavité en forme > cavité en forme de cylindre. Cependant, le volume unitaire solidifié par temps (${\raise0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{V_{{unit}} } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$) est le plus élevé dans la cavité de forme cuboïde, alors qu'il est le plus bas dans le cylindre en forme de cavité en raison de la différence de vitesse de refroidissement. Enfin, le nombre de noyaux par unité de volume (${\raise0.7ex\hbox{${N_{{noyaux}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{noyaux}} } {V_{{unit}} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$} }$) peut être dérivé en considérant ${\raise0.7ex\hbox{${N_{{noyaux}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{noyaux}} } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$ et ${\raise0.7ex\hbox{${V _{{unit}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{V_{{unit}} } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$, et cette valeur devrait être similaire pour les trois types de cavités, comme illustré à la Fig. S4. Le ${\raise0.7ex\hbox{${N_{{noyaux}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{noyaux}} } {V_{{unit}} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$}}$ devrait avoir un influence majeure sur la taille de grain similaire dans les trois types de formes de cavité dans la solidification EA.

Comme le montre la figure 6, bien que la forme du flux de circulation soit différente selon la forme de la cavité, l'aluminium liquide s'est bien mélangé dans la cavité interne du moule. Par conséquent, les nouveaux noyaux peuvent être dispersés uniformément dans la région non solidifiée, ce qui entraîne une petite variation de la taille des grains dans la zone raffinée pour chaque forme de cavité. Pour les trois types de cavités, le flux circulant d'aluminium liquide dans la région à la hauteur supérieure du moule est inhibé en raison de la gravité, ce qui réduit le taux de cisaillement. La zone raffinée observée située à mi-hauteur du moule s'explique à la fois par la solidification ascendante et le taux de cisaillement réduit à la hauteur supérieure du moule.

Dans la cavité en forme de cuboïde avec la plus longue distance entre les électrodes parmi les trois formes de cavité, la taille des grains était d'environ 390 μm dans chaque section du plan YZ des régions gauche et droite (comme décrit sur la figure 8a). Sur la figure 8b, on a observé que le taux de cisaillement maximal était d'environ 46, 27, 6 et 38, 7 s−1 pour les régions gauche, centrale et droite du plan YZ, respectivement. Elle est de l'ordre de 10 fois inférieure à la vitesse de cisaillement formée dans la région sous les électrodes (~ 400 s-1). Par conséquent, dans la région inter-électrodes, plutôt que de nouveaux noyaux générés par le taux de cisaillement, les noyaux peuvent être livrés à la région inter-électrodes par le flux circulant, ce qui entraîne une taille de grain uniforme dans la zone raffinée malgré la longue distance inter-électrodes.

(a) Taille des grains dans la zone raffinée du plan YZ à la cavité en forme de cuboïde. Simulation numérique : (b) carte de taux de cisaillement 2D et (c) carte de vitesse 2D après 4 s d'application de courant électrique à la cavité en forme de cuboïde.

La fraction de surface de la zone raffinée devrait être affectée par la relation relative entre le temps d'application du courant électrique et le temps d'achèvement de la solidification. Les fractions de surface de la zone raffinée étaient d'environ 29, 41 et 50% pour les cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde, respectivement (Fig. 9a). La fraction de surface de la zone de grain raffiné a été calculée sur la base du plan longitudinal 2D YZ illustré à la Fig. 4a. Dans le cas de la cavité en forme de cylindre, un courant électrique est retiré (108 s) avant que la solidification à mi-hauteur du moule soit complète (Fig. 9b). Par conséquent, après avoir retiré le courant électrique, on s'attend à ce que la croissance des grains des noyaux existants se produise dans la région non solidifiée sans apport supplémentaire de noyaux par fragmentation des dendrites. Dans la cavité en forme de cube, le temps d'application du courant électrique était d'environ 20 s plus long que le temps d'achèvement de la solidification à mi-hauteur du moule (Fig. 9b). Cela implique que des noyaux supplémentaires peuvent être générés dans l'aluminium liquide non solidifié au-dessus de la mi-hauteur du moule, induisant une fraction plus élevée de la zone raffinée par rapport à la cavité en forme de cylindre. Dans les cavités en forme de cylindre et de cube, la zone raffinée dans le plan YZ a une forme en V, comme le montre la figure 4a. Cela peut s'expliquer par la distribution en forme de V de la température dans le plan YZ, due au flux circulant dans la carte de distribution de température 3D de l'aluminium liquide (Fig. 10a et b).

(a) Fraction de la zone raffinée dans le plan longitudinal YZ en solidification EA. (b) Temps de solidification à la hauteur moyenne et supérieure du moule dans la solidification EA pour les cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde. Courbe de refroidissement mesurée à mi-hauteur de la cavité en forme de cuboïde en (c) solidification non-EA et (d) solidification EA. ( e ) Carte de distribution de température 2D calculée numériquement du plan XZ dans une cavité en forme de cuboïde.

Carte de distribution de température 3D de l'aluminium liquide à partir de la simulation numérique pour (a) les cavités en forme de cylindre, (b) de cube et (c) de forme cuboïde.

Dans la cavité de forme cuboïde, un courant électrique a été appliqué jusqu'à l'achèvement de la solidification à la hauteur supérieure du moule, comme le montre la figure 9b. Dans la carte de distribution de température 3D de l'aluminium liquide dans la cavité en forme de cuboïde (Fig. 10c), l'aluminium liquide dans la région centrale de la largeur se refroidit plus rapidement que l'aluminium liquide à côté des électrodes. Par conséquent, même après la solidification de l'aluminium liquide à mi-hauteur du moule, les noyaux qui sont nouvellement générés en appliquant un courant électrique dans l'aluminium liquide non solidifié présent sous les électrodes peuvent être fournis à la hauteur supérieure du moule au centre de la largeur, résultant en la fraction la plus élevée de zone raffinée. Les températures mesurées dans les zones centrales et latérales à mi-hauteur du moule sont illustrées aux Fig. 9c et d. Dans la solidification non EA, la solidification est terminée plus rapidement dans la région latérale, qui est un chemin de dissipation thermique. Cependant, dans la solidification EA, la solidification au centre de la largeur est terminée plus de 9 s plus tôt que sur la région latérale à mi-hauteur du moule. Cela correspond bien aux résultats de simulation pour la carte de distribution de température 2D du plan XZ (Fig. 9e). La zone raffinée en forme de V montrée dans la macrostructure (Fig. 4a) peut également être affectée par la distribution de température en forme de V dans le plan YZ, comme le montre la Fig. 10c.

Dans cette étude, nous avons utilisé un courant électrique comme source d'énergie externe pour obtenir des grains raffinés à l'état brut de coulée. Cette étude met en évidence l'effet du courant électrique sur le comportement de solidification avec différentes formes de cavité dans un volume fixe. La structure de solidification a été remarquablement affinée à environ 350 μm à partir de plusieurs millimètres de granulométrie (~ 11 mm), et les grains équiaxes avec un rapport d'aspect inférieur sont uniformément répartis avec un petit écart de granulométrie dans la zone raffinée, en appliquant un courant électrique lors de la solidification dans les cavités en forme de cylindre, de cube et de cuboïde. Dans la simulation numérique, l'apparition d'un écoulement circulant a été observée et la forme de l'écoulement circulant dans l'aluminium liquide dépend de la forme de la cavité. De plus, il a été confirmé que la force de Lorentz générée par l'interaction entre le courant électrique et le métal liquide présentait des valeurs similaires dans chaque forme de cavité, et que le taux de cisaillement était également similaire à 400 s-1 pour les trois types de cavités, ce qui devrait être suffisant pour induire la rupture de l'agglomération de particules et modifier la microstructure. On s'attend à ce que de nouveaux noyaux puissent être générés par un fort taux de cisaillement lorsque l'aluminium non solidifié passe sous l'électrode, et il peut être délivré dans la région non solidifiée, en raison du flux circulant. L'observation d'une taille de grain similaire dans la solidification EA avec une forme de cavité différente devrait être influencée par le comportement de nucléation et la solidification en fonction de la forme de la cavité. La fraction de la zone raffinée variait en fonction de la forme de la cavité, et la plus faible était d'environ 29 % dans la cavité en forme de cylindre, et la plus élevée était d'environ 50 % dans la cavité en forme de cuboïde. Ceci s'explique par la relation relative entre le temps de fin de solidification et le temps d'application du courant électrique.

L'utilisation du courant électrique comme paramètre de processus pour obtenir une microstructure raffinée est une technologie émergente. Parce que la forme d'un produit réel est complexe, il existe de nombreuses considérations pour contrôler la microstructure d'un produit coulé. En appliquant un courant électrique au métal liquide, le flux de circulation est développé, et il dépend de la forme de la cavité et des conditions électriques. Par conséquent, pour contrôler efficacement la microstructure à l'aide de courant électrique, le phénomène induit par le courant électrique lié à la nucléation et à la solidification doit être soigneusement pris en compte. Cette étude peut donner un aperçu du contrôle microstructural en tenant compte de différentes formes de cavité en utilisant la solidification assistée par courant électrique.

Toutes les données incluses dans cette étude sont disponibles sur demande en contactant l'auteur correspondant.

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Ce travail a été soutenu par le programme de développement technologique stratégique industriel (n ° 20003937, n ° 10081329, n ° 20017502) financé par le ministère du commerce, de l'industrie et de l'énergie (MOTIE, Corée), la subvention de la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF) financée par le gouvernement coréen (MSIT) (n ° 2017R1C1B2012459) et l'Institut coréen de technologie industrielle en tant que "Développement de la technologie de racine intelligente avec add- sur modules (KITECH-EO-23-0007)". M.La a été soutenu par le programme de promotion de l'éducation et de la recherche de KOREATECH en 2021.

Département de R&D sur le traitement intelligent des liquides, Institut coréen de technologie industrielle, Incheon, 21999, République de Corée

Seung Jun Choi, DongEung Kim et Moon-Jo Kim

École de génie mécanique, Université coréenne de technologie et d'éducation, Cheonan, 31253, République de Corée

Moonwoo La

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Correspondance avec Moonwoo La ou Moon-Jo Kim.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Choi, SJ, Kim, D., La, M. et al. Effet de la forme de la cavité sur l'évolution microstructurale de l'aluminium pur en solidification assistée électriquement. Sci Rep 13, 3382 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29522-y

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Reçu : 08 septembre 2022

Accepté : 06 février 2023

Publié: 28 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-29522-y

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