Halo formation in directional solidification

A new model of halo formation in directional solidification is presented. The model describes halo formation in terms of competitive growth between the halo phase and coupled eutectic in liquid with a nominal composition that follows the primary phase liquidus extension with decreasing temperature. The model distinguishes between the effects of constitutional, capillarity and (where applicable) kinetic undercooling and avoids a number of theoretical inconsistencies associated with previous models. The critical growth rate for halo formation in directionally solidified hypereutectic Al-Si alloys is calculated using the model in conjunction with models of primary phase and coupled eutectic growth from the literature. The calculated result agrees reasonably well with the experimental result of Yilmaz and Elliott (Met. Sci. 18 (1984) 362), given the use of a relatively simple isolated dendrite tip model to calculate the growth undercooling of the halo tip. (C) 2002 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Characterization of the Al-3wt.%Si alloy in unsteady-state horizontal directional solidification

The main purpose of this paper is to investigate both the columnar to equiaxed transition and primary dendritic arm spacings of Al-3wt.%Si alloy during the horizontal directional solidification. The transient heat transfer coefficient at the metal-mold interface is calculated based on comparisons between the experimental thermal profiles in castings and the simulations provided by a finite difference heat flow program. Simulated curve of the interfacial heat transfer coefficient was used in another numerical solidification model to determine theoretical values of tip growth rates, cooling rates and thermal gradients that are associated with both columnar to equiaxed transition and primary dendritic arm spacings. A good agreement was observed between the experimental values of these thermal variables and those numerically simulated for the alloy examined. A comparative analysis is carried out between the experimental data of this work and theoretical models from the literature that have been proposed to predict the primary dendritic spacings. In this context, this study may contribute to the understanding of how to manage solidification operational parameters aiming at designing the microstructure of Al-Si alloys.

Solidification thermal parameters and dendritic growth during the horizontal directional solidification of Al-7wt.%Si alloy

O principal objetivo desse trabalho é investigar a influência dos parâmetros térmicos velocidade de solidificação (V_L) e taxa de resfriamento (T_R), nos espaçamentos dendríticos primários (λ₁) da liga hipoeutética Al-7%Si, durante a solidificação direcional horizontal, em regime transiente. Os valores de λ₁ foram medidos ao longo do comprimento do lingote e correlacionados com esses parâmetros. A variação dos espaçamentos dendríticos estudados é expressa por meio de funções na forma de potência de V_Le T_Rdadas, respectivamente, por λ₁= 55(V_L)^-1.1e λ₁= 212 (T_R)^-0.55. Um estudo comparativo é realizado entre os resultados encontrados nesse trabalho e aqueles obtidos para a mesma liga quando solidificada direcionalmente nos sistemas verticais ascendente e descendente, sob as mesmas condições assumidas. Finalmente, os resultados experimentais obtidos são comparados com valores fornecidos por alguns modelos teóricos propostos na literatura para analisar espaçamentos dendríticos primários.

On the solute coupling at the moving solid/liquid interface during equiaxed solidification

Integral mass conservation was widely accepted for the solute coupling to solve solute redistribution during equiaxed solidification so far. The present study revealed that the integral form was invalid for moving boundary problems as it could not represent the mass balance at the moving interface. Accordingly, differential mass conservation at the solid/liquid interface was used to solve solute diffusion for spherical geometry. The model was applied for hydrogen diffusion in solidification to validate that the hydrogen enrichment was significant and depended on the growth rate. (c) 2006 American Institute of Physics.

Feedback control of unstable cellular solidification fronts

We present a feedback control scheme to stabilize unstable cellular patterns during the directional solidification of a binary alloy. The scheme is based on local heating of cell tips which protrude ahead of the mean position of all tips in the array. The feasibility of this scheme is demonstrated using phase-field simulations and, experimentally, using a real-time image processing algorithm, to track cell tips, coupled with a movable laser spot array device to heat the tips locally. We demonstrate, both numerically and experimentally, that spacings well below the threshold for a period-doubling instability can be stabilized. As predicted by the numerical calculations, cellular arrays become stable with uniform spacing through the feedback control which is maintained with minimal heating.

Effect of solute on the growth rate and the constitutional undercooling ahead of the advancing interface during solidification of an alloy and the implications for nucleation

A framework is presented for modeling the nucleation in the constitutionally supercooled liquid ahead of the advancing solid/liquid interface. The effects of temperature gradient, imposed velocity, slope of liquidus, and initial concentration have been taken into account in this model by considering the effect of interface retardation, which is caused by solute buildup at the interface. Furthermore, the effect of solute concentration on the chemical driving force for nucleation has been considered in this model. The model is used for describing the nucleation of Al-Si and Al-Cu alloys. It was found that the solute of Si has a significant impact on the chemical driving force for nucleation in AI-Si alloys whereas Cu has almost no effect in Al-Cu alloys.

Macrosegregation of Impurities in Directionally Solidified Silicon

Directional solidification of molten metallurgical-grade Si was carried out in a vertical Bridgman furnace. The effects of changing the mold velocity from 5 to 110 mu m seconds(-1) on the macrosegregation of impurities during solidification were investigated. The macrostructures of the cylindrical Si ingots obtained in the experiments consist mostly of columnar grains parallel to the ingot axis. Because neither cells nor dendrites can be observed on ingot samples, the absence of precipitated particles and the fulfillment of the constitutional supercooling criterion suggest a planar solid-liquid interface for mold velocities a parts per thousand currency sign10 mu m seconds(-1). Concentration profiles of several impurities were measured along the ingots, showing that their bottom and middle are purer than the metallurgical Si from which they solidified. At the ingot top, however, impurities accumulated, indicating the typical normal macrosegregation. When the mold velocity decreases, the macrosegregation and ingot purity increase, changing abruptly for a velocity variation from 20 to 10 mu m seconds(-1). A mathematical model of solute transport during solidification shows that, for mold velocities a parts per thousand yen20 mu m seconds(-1), macrosegregation is caused mainly by diffusion in a stagnant liquid layer assumed at the solid-liquid interface, whereas for lower velocities, macrosegregation increases as a result of more intense convective solute transport.

Mechanical Blocking Mechanism for the Columnar to Equiaxed Transition

Mechanical blocking of the columnar front during the columnar to equiaxed transition (CET) is studied by quantitatively comparing the CET positions obtained with one stochastic model and two deterministic models for the unidirectional solidification of an Al-7 (wt pct) Si alloy. One of the deterministic models is based on the solutal blocking of the columnar front, whereas the other model is based on the mechanical blocking. The solutal-blocking model and the mechanical-blocking model with the traditional blocking fraction of 0.49 give columnar zones larger than those predicted with the stochastic model. When a blocking fraction of 0.2 is adopted, however, the agreement is very good for a range of nucleation undercoolings and number density of equiaxed grains. Therefore, changing the mechanical-blocking fraction in deterministic models from 0.49 to 0.2 seems to model more accurately the mechanical-blocking process that can lead to the CET.

Predicting the columnar-to-equiaxed transition for a distribution of nucleation undercoolings

A deterministic mathematical model for steady-state unidirectional solidification is proposed to predict the columnar-to-equiaxed transition. In the model, which is an extension to the classic model proposed by Hunt [Hunt JD. Mater Sci Eng 1984;65:75], equiaxed grains nucleate according to either a normal or a log-normal distribution of nucleation undercoolings. Growth maps are constructed, indicating either columnar or equiaxed solidification as a function of the velocity of isotherms and temperature gradient. The fields A columnar and equiaxed growth change significantly with the spread of the nucleation undercooling distribution. Increasing the spread Favors columnar solidification if the dimensionless velocity of the isotherms is larger than 1. For a velocity less than 1, however, equiaxed solidification is initially favored, but columnar solidification is enhanced for a larger increase in the spread. This behavior was confirmed by a stochastic model, which showed that an increase in the distribution spread Could change the grain structure from completely columnar to 50% columnar grains. (c) 2008 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Columnar to equiaxed transition of eutectic in hypoeutectic aluminium-silicon alloys

Directional solidification of unmodified and strontium modified binary, high-purity aluminium-7 wt% silicon and commercial A356 alloys has been carried out to investigate the mechanism of eutectic solidification. The microstructure of the eutectic growth inter-face was investigated with optical microscopy and Electron Backscattering Diffraction (EBSD). In the commercial alloys, the eutectic solidification inter-face extends in the growth direction and creates a eutectic mushy zone. A planar eutectic growth front is observed in the high-purity alloys. The eutectic aluminium has mainly the same crystallographic orientation as the dendrites in the unmodified alloys and the strontium modified high-purity alloy. A more complex eutectic grain structure is found in the strontium modified commercial alloy. A mechanism involving constitutional undercooling and a columnar to equiaxed transition explains the differences between pure and commercial alloys. It is probably caused by the segregation of iron and magnesium and the activation of nucleants in the commercial alloy. (C) 2002 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Caracterização da liga 6101 refinada com a adição de diferentes teores de cobre e solidificadas em molde unidirecional horizontal e em molde "U"

A liga 6101 (série 6xxx) foi modificada através da adição de cobre nos percentuais de 0,05%Cu e 0,3%Cu, e também de refinadores de grão à base de uma pré-liga Al-Ti-B. As ligas foram caracterizadas termicamente (coeficiente de transferência de calor metal/molde, Velocidade de deslocamento da isoterma liquidus e taxa de resfriamento), mecanicamente (limite de resistência à tração e módulo de tenacidade) e eletricamente (resistência, resistividade e condutividade elétrica) utilizando duas formas de vazamentos: uma sendo através de solidificação em molde unidirecional horizontal e a outra através do molde em “U”. Para a solidificação em molde unidirecional horizontal as caracterizações mostraram-se bastante influenciadas pelos refinadores de grão e pela viscosidade que o cobre exerce na eficiência do contato metal/molde das ligas, alterando significativamente suas propriedades térmicas, mecânicas e elétricas. Por outro lado, na solidificação em molde “U” as ligas foram avaliadas apenas através de caracterização mecânica e elétrica, tendo em vista a preocupação sobre as variáveis do processo de conformação da liga metálica, tais como, a avaliação da taxa de deformação, do limite de resistência a tração, da tenacidade e da resistência, resistividade e condutividade elétrica, do perfil metálico produzido, para corpos de prova de diferentes diâmetros. Para o molde em “U” houve ainda a adição e avaliação de mais duas ligas sendo a Al-0,6Mg-0,4Si-0,1Cu e Al-0,6Mg-0,4Si-0,2Cu. As propriedades mecânicas e elétricas sofreram forte influência do encruamento, do teor de cobre e das microcavidades existentes nas estruturas das ligas.

Determinação do calor específico de ligas AlCu produzidas em um dispositivo de solidificação unidirecional vertical ascendente

O conhecimento das propriedades termofísicas é de fundamental importância para o estudo de ligas metálicas obtidas por solidificação,uma vez que esta se relaciona de forma direta com o coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde. Assim, o Grupo de Pesquisa em Metalurgia e de Meio Ambiente – GAPEMM da Universidade Federal do Pará desenvolve uma linha de pesquisa que propõe um conjunto de técnicas e procedimentos que visa determiná-las. Por outro lado, sabe-se que existe uma correlação significativa entre processo, estrutura e propriedades de um material obtido por solidificação, visto que a distribuição de soluto em uma liga metálica ocorre de maneira não uniforme. A maneira como ocorre solidificação e a quantificação das variáveis envolvidas no processo têm influência fundamental nas propriedades do material. O presente trabalho utilizou ligas Al-Cu (Al-2%Cu, Al-5%Cu e Al-8%Cu) obtidas por solidificação unidirecional vertical ascendente, realizado através de um dispositivo projetado, construído e aferido pelo GAPEMM. Através destas, pretende-se fazer um estudo do calor específico à medida que a frente de solidificação se afasta da chapa molde bem como com o aumento do teor de soluto. Para isso, foi utilizada uma técnica conhecida na literatura como Lei de Resfriamento de Newton, a qual possibilita através das curvas de temperatura x tempo determinar as temperaturas necessárias para o cálculo do calor específico.

Influência da convecção termossolutal nos espaçamentos dendríticos primários durante a solidificação direcional horizontal de ligas Sn-Pb

Este trabalho apresenta um estudo teórico-experimental sobre os efeitos da convecção termossolutal sobre os espaçamentos dendríticos primários de ligas hipoeutéticas Sn-Pb. Assim, um dispositivo experimental de configuração horizontal refrigerado a água foi construído e amostras do referido sistema de ligas foram solidificadas direcionalmente sob condições transientes de extração de calor. Um método teórico-experimental é aplicado para determinar as velocidades de deslocamento da isoterma liquidus, os gradientes térmicos e as taxas de resfriamento. São também apresentados resultados para os respectivos coeficientes de transferência de calor na interface metal/molde os quais foram calculados a partir de uma análise comparativa realizada entre os perfis experimentais de temperatura e valores teóricos fornecidos por um método numérico baseado em volumes finitos. Alguns modelos teóricos para a previsão dos espaçamentos dendríticos primários são comparados com os resultados experimentais obtidos. Finalmente, um estudo comparativo é realizado entre resultados encontrados neste trabalho e aqueles apresentados na literatura para os espaçamentos dendríticos primários das ligas Sn-Pb investigadas quando solidificadas direcionalmente nos sistemas verticais ascendente e descendente, sob as mesmas condições. A análise das microestruturas indica que os espaçamentos dendríticos primários são bastante influenciados pela direção de crescimento do sólido.

Influência da convecção termossolutal na transição colunar/equiaxial em ligas Al-Si sob condições unidirecionais e transitórias de extração de calor

A relação entre macroestrutura e propriedades mecânicas de um material tem sido objeto de intensa investigação pois o tamanho dos grãos, a orientação cristalina e a distribuição dos mesmos exercem influência direta no comportamento mecânico dos produtos acabados. Assim, o entendimento dos fatores que influenciam a formação das zonas estruturais coquilhada, colunar e equiaxial nos materiais fundidos como, por exemplo, o sistema de liga, composição da liga, temperatura de vazamento, temperatura do molde, material do molde, coeficientes de transferência de calor na interface metal/molde, taxa de resfriamento, gradientes térmicos, dimensão da peça, presença de convecção no líquido, transporte de soluto, etc é de fundamental importância para a melhoria da eficiência do processo de fundição envolvido. Com base no conhecimento dos princípios termofísicos em que essas zonas são formadas, é possível manipular de forma bastante razoável a estrutura dos produtos fundidos e, conseqüentemente, as propriedades mecânicas dos mesmos. Tendo como principal foco a análise da mudança da zona colunar para a equiaxial, este trabalho apresenta um estudo teórico-experimental sobre a transição colunar/equiaxial (TCE) das ligas hipoeutéticas Al- 3%Si, Al-7%Si Al-9%Si solidificadas unidirecionalmente em um dispositivo horizontal refrigerado a água sob condições transientes de fluxo de calor. A condição de contato térmico na superfície de extração de calor foi padronizada como sendo polida. Os perfis térmicos foram medidos em diferentes posições do lingote e os dados foram armazenados automaticamente. Um método numérico é utilizado na determinação de variáveis térmicas de solidificação como coeficientes de transferência de calor na interface metal/molde (h_i), velocidades das isotermas liquidus (V_L), gradientes térmicos (G_L) e taxas de resfriamento (T_R) que influenciam diretamente a referida transição estrutural. Os resultados teóricos e experimentais apresentaram boa concordância. Um estudo comparativo entre os resultados obtidos neste trabalho e valores propostos na literatura para analisar a TCE durante a solidificação unidirecional vertical ascendente sob condições transientes de extração de calor das ligas investigadas, também é apresentado.

Variáveis térmicas de solidificação, espaçamento dentríticos secundários e resistência à corrosão de ligas hipoeutéticas Al-Ni

No presente trabalho, é realizada uma seqüência de experimentos com ligas hipoeutéticas Al-Ni para analisar a solidificação unidirecional vertical ascendente em condições transitórias de fluxo de calor. Abordagens experimentais são desenvolvidas para a determinação quantitativa de variáveis térmicas de solidificação, tais como: tempos locais de solidificação; velocidades de deslocamento das isotermas liquidus; taxas de resfriamento à frente da isoterma liquidus e gradientes térmicos à frente da interface sólido / líquido. O trabalho analisa também a dependência dos espaçamentos dendríticos secundários em relação às variáveis térmicas de solidificação e ao teor de soluto das ligas, além de relacionar estes parâmetros com a resistência à corrosão destas ligas. Esses parâmetros dendríticos experimentais, referentes à solidificação das ligas Al - 1, 1,4 e 1,8 % Ni, não puderam ser comparados com os principais modelos teóricos de crescimento dendrítico da literatura, pois, para as ligas em estudo há uma escassez de propriedades termofísicas, impossibilitando assim esta comparação. O comportamento corrosivo é analisado pela técnica de polarização potenciodinâmica e técnica de polarização potenciodinâmica cíclica conduzidas em solução de 3,5% NaCl em temperatura ambiente, estruturas dendríticas mais grosseiras tendem a aumentar as taxas de corrosão das ligas hipoeutéticas do sistema Al-Ni. Os resultados experimentais obtidos através de ensaios de corrosão são correlacionados com a microestrutura dendrítica. Dessa forma, são determinadas tendências experimentais de crescimento dendrítico e resistência à corrosão para a solidificação unidirecional vertical ascendente.