Einfluss der Hohlraumform auf die mikrostrukturelle Entwicklung von reinem Aluminium in der Elektrotechnik

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 3382 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Kornfeinung ist bei metallischen Werkstoffen ein entscheidendes Thema. Eine der neuen Techniken zur Herstellung gleichachsiger Körner besteht darin, während der Erstarrung einen elektrischen Strom an das flüssige Metall anzulegen. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit der Einfluss von elektrischem Strom auf das Erstarrungsverhalten in verschiedenen Hohlraumformen von Formen untersucht. Es wurden zylinder-, würfel- und quaderförmige Hohlräume mit ähnlichem Hohlraumvolumen verwendet. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms während der Erstarrung von flüssigem Aluminium wurden die Körner effektiv verfeinert und erreichten bei allen drei Hohlraumtypen eine Korngröße von etwa 350 µm. Es wurde beobachtet, dass der zirkulierende Fluss von flüssigem Aluminium in allen drei Arten von Hohlräumen eine ähnliche Schergeschwindigkeitsintensität aufweist, die bekanntermaßen ausreichend hoch ist (über Hunderte von s−1), um eine Dendritenfragmentierung zu induzieren, die zu neu erzeugten Kernen führt. Die Verteilung der Keime auf unverfestigtem Aluminium erschien je nach Form des Hohlraums unterschiedlich, was die endgültige Form der raffinierten Zone beeinflusst. Der Flächenanteil der verfeinerten Zone wurde durch die relative Beziehung zwischen der Vollendungszeit der Erstarrung und der Zeit, in der elektrischer Strom angelegt wurde, beeinflusst. Diese Studie wird Einblicke in die Steuerung von Prozessparametern geben, wenn die elektrisch unterstützte Erstarrung auf ein reales Produkt mit einer komplexen Form angewendet wird.

Die Kontrolle der Mikrostruktur ist auf der Grundlage des Verständnisses des Erstarrungsverhaltens bei der Verarbeitung flüssiger Metalle von wesentlicher Bedeutung, um eine hohe Festigkeit und gute Duktilität zu erzielen1,2,3. Das Erstarrungsverhalten von flüssigem Metall wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, wie z. B. der Zusammensetzung, dem Wärmefluss im Erstarrungssystem und der Qualität des flüssigen Metalls. Insbesondere die Abkühlgeschwindigkeit während der Erstarrung ist ein entscheidender Parameter zur Bestimmung der Erstarrungsstruktur4,5. Beispielsweise kann eine Änderung der Größe oder Form des Hohlraums in der Form aufgrund einer Änderung der Abkühlgeschwindigkeit zu einer anderen Erstarrungsstruktur führen, selbst wenn das Material genau die gleiche Legierungszusammensetzung hat. Die Berücksichtigung des Wärmefeldgradienten, der sich auf die Erstarrungsstruktur auswirkt, ist auch für die Herstellung komplexer Formen mit unterschiedlich großen Gussteilen von entscheidender Bedeutung.

Zur Steuerung der Erstarrungsstruktur in der Gussindustrie wurden verschiedene Techniken wie chemische Zusätze6,7,8 und schnelle Abkühlmethoden9,10 eingesetzt. Chemische Zusätze gelten als gängige Technik zur Verfeinerung oder Modifizierung der Phase. Um ein feines Erstarrungsgefüge zu erhalten, wird häufig auch die Methode der schnellen Abkühlung eingesetzt. Ersteres hat jedoch einige Nachteile, nämlich ausbleichende Additive und die unerwünschte Bildung von Defekten wie Poren und intermetallischen Verbindungen11,12. Letzteres weist je nach Formmaterial, Produktform und Arbeitsumgebung Einschränkungen bei der Erhöhung der Abkühlrate auf. Um diese Nachteile zu überwinden, wurde die Behandlung von flüssigem Metall mit externer Energie, einschließlich mechanischer Vibration13,14,15, elektromagnetischem Rühren16,17,18,19 und Ultraschallvibration20,21,22, eingeführt, die alternative Methoden zur Gewinnung mechanischer Metalle sein können Eigenschaften, die den Anforderungen der Endprodukte entsprechen. Kürzlich wurde ein Gießverfahren vorgeschlagen, das elektrischen Strom als externe Energiequelle nutzt23,24,25,26. Bei diesem Verfahren wird während der Erstarrung über die Elektroden ein elektrischer Strom direkt an das flüssige Metall angelegt. Es ist bekannt, dass die Kornverfeinerung oder Phasenmodifikation der Haupteffekt ist, wenn elektrischer Strom an das flüssige Metall angelegt wird. Insbesondere die Kornverfeinerung wurde durch viele frühere Studien27,28,29 seit 1985 bestätigt, als über diese Technik erstmals berichtet wurde30. In verschiedenen Metallen, darunter Pb-Sn-Legierungen31,32,33 und Cu-Bi-Sn-Legierungen34,35, wurden die Körner effektiv durch Anlegen eines elektrischen Stroms während der Erstarrung verfeinert. Beispielsweise wurde die Korngröße von 1700 µm in der Sn-Bi-Legierung im Gusszustand durch Anlegen eines elektrischen Stroms während der Erstarrung auf etwa 400 µm verringert. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Leichtbaumaterialien steht die Forschung zur Kornfeinung in Aluminiumlegierungen derzeit im Fokus. Die Korngröße von reinem Aluminium (Al)27,28,29,36 und α-Al in Al-Si-Legierungen37,38 wird durch Anlegen von elektrischem Strom während der Erstarrung erheblich reduziert. Raiger et al.29 berichteten, dass die Korngröße von reinem Aluminium bei Anwendung von elektrischem Strom um etwa 82 % abnahm, verglichen mit der Korngröße ohne Anwendung von elektrischem Strom.

Um die Wirkung von elektrischem Strom auf die Metallverfestigung zu verstehen, wurden verschiedene Hypothesen vorgeschlagen, darunter Dendritenfragmentierung und Joulesche Erwärmungseffekte. Der Effekt der Dendritenfragmentierung wird häufig als eine der Haupthypothesen für die Kornverfeinerung durch die Anwendung von elektrischem Strom vorgeschlagen. Diese Hypothese wurde von Forschern aufgestellt, die durch numerische Simulationen die Existenz des durch die Lorentzkraft verursachten erzwungenen Flusses von flüssigem Metall unter elektrischem Strom bestätigten28,29. Sie berichteten, dass der erzwungene Fluss von flüssigem Metall aufgrund der durch den elektrischen Strom induzierten Lorentzkraft Fragmente zuvor gewachsener Dendriten erzeugen könnte, was zu einer Kornverfeinerung durch die Bereitstellung zusätzlicher Keime führen könnte. Wang et al.39 führten In-situ-Beobachtungen der Entwicklung der Dendritenmorphologie während der Erstarrung unter elektrischem Strom auf der Grundlage der Synchrotronstrahlungs-Bildgebungstechnik durch. Es wurde vermutet, dass die Dendritenmorphologie durch Joulesche Erwärmung an der Dendritenspitze verändert wurde. Li et al.24 kamen außerdem zu dem Schluss, dass die strominduzierte Joule-Erwärmung die Keimbildungsrate steigerte, was zu einer Kornverfeinerung in reinem Aluminium führte. Der zugrunde liegende Mechanismus der Wirkung des elektrischen Stroms auf die Erstarrungsstruktur bleibt jedoch umstritten.

Obwohl der zugrunde liegende Mechanismus noch nicht eindeutig geklärt ist, sind praktische Studien erforderlich, um diese Technik in der realen Industrie zu berücksichtigen. Ma et al.40 untersuchten die Erstarrungsstruktur von reinem Aluminium mit verschiedenen Elektrodenkonfigurationen. Als Variablen wurden die Position der Elektroden und der Abstand zwischen den Elektroden eingestellt. Sie fanden heraus, dass der Anteil der verfeinerten Kornfläche durch die Position der Elektrode beeinflusst werden kann. Allerdings haben nur wenige Studien den instrumentellen Aufbau durch systematische Studien berücksichtigt. Nach unserem besten Wissen haben sich keine Studien mit der Hohlraumform einer Form unter der Anwendung von elektrischem Strom während der Erstarrung befasst.

Ziel dieser Studie ist es, den Zusammenhang zwischen der Hohlraumform und der Erstarrungsstruktur unter Anwendung eines elektrischen Stroms während der Erstarrung zu bestimmen. Als repräsentatives Material wurde reines Aluminium gewählt, um verschiedene Faktoren aufgrund von Legierungselementen zu minimieren. Wir haben drei Arten von Kavitäten mit unterschiedlichen Kavitätenformen vorbereitet und dabei das Volumen der Kavität festgelegt. Die Wirkung von elektrischem Strom auf die Kornverfeinerung wurde anhand makro- und mikrostruktureller Beobachtungen analysiert. Es wurde auch eine auf Fluiddynamik basierende numerische Modellierung durchgeführt, bei der die Wirkung des elektrischen Stroms auf flüssiges Aluminium berücksichtigt wurde. Abschließend wurde der Einfluss des elektrischen Stroms auf das Erstarrungsverhalten diskutiert, mit Schwerpunkt auf der Hohlraumform, basierend auf experimentellen und numerischen Ansätzen.

Es wurden Sandformen mit drei Arten von Hohlraumformen hergestellt, nämlich Zylinder, Würfel und Quader, wie in Abb. 1a–c dargestellt. Um den Einfluss der Kapazität von flüssigem Aluminium während der Erstarrung auszuschließen, wird das Innenvolumen eines Hohlraums nahezu konstant gehalten, wie in Abb. 1d dargestellt. Jede Form hat eine Innenabmessung von 60 mm × 120 mm (Durchmesser × Höhe) für den Zylinder, 70 mm × 70 mm × 70 mm (Breite × Tiefe × Höhe) für den Würfel und 120 mm × 60 mm × 50 mm (Breite × Tiefe × Höhe) für die quaderförmigen Hohlräume. In der Reihenfolge der zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräume nimmt die obere oder untere Fläche zu, während die Seitenfläche abnimmt, wie in Abb. 1d dargestellt. Der Innenboden wurde mit einer Kupferplatte ausgestattet, um eine gerichtete Erstarrung von unten nach oben zu erreichen.

Instrumenteller Aufbau für (a) die zylinderförmigen, (b) würfelförmigen und (c) quaderförmigen Hohlräume. (d) Volumen und Oberfläche jeder Hohlraumform.

Zwei parallele STS304-Elektroden wurden von der Oberseite in Tiefen von 60, 35 und 25 mm für die zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräume in flüssiges Aluminium eingetaucht. Die Seitenwand der Elektrode war mit Aluminiumoxid beschichtet. Der Abstand zwischen den Elektroden wurde bei den zylinder- und würfelförmigen Hohlräumen auf 40 mm und bei den quaderförmigen Hohlräumen auf 70 mm eingestellt. Die Temperatur des flüssigen Aluminiums während der Erstarrung wurde mit einem K-Thermoelement sowohl in der Mitte als auch in der oberen Höhe der Form in der Mitte des Durchmessers oder der Breite jeder Form aufgezeichnet. Im quaderförmigen Hohlraum wurde zusätzlich die Temperatur neben der Elektrode gemessen, um den Thermogradienteneffekt in x-Richtung zu analysieren, wie in Abb. 1c dargestellt. Die Abtastrate der Temperatur betrug 100 ms/Punkt und die gemessene Temperaturauflösung betrug 0,1 °C mit dem Datenprotokollierungssystem (GL240, Graphtech Corporation).

Handelsübliche Reinaluminiumbarren (1,5 kg) (> 99,7 %) wurden in einem Hochfrequenzschmelzofen unter Verwendung eines Graphittiegels geschmolzen. Als die Temperatur des flüssigen Aluminiums 760 °C erreichte, wurde eine Entgasung durchgeführt. Nach 5-minütiger Stabilisierung wurde flüssiges Aluminium in eine Sandform gegossen und Elektroden eingesetzt. Die Sandform und die Elektroden wurden auf 150 °C vorgeheizt, um die Bildung einer festen Schale an der Oberfläche durch schnelle Erstarrung zu verhindern. Bei der elektrisch unterstützten Erstarrung (im Folgenden EA-Erstarrung) wurde 108 s lang ein Gleichstrom von 300 A angelegt, als die Temperatur des flüssigen Aluminiums in der Mitte der Form 665 °C erreichte, was nahe der Schmelztemperatur liegt. Um die Wirkung der eingeführten Elektroden im flüssigen Metall widerzuspiegeln, wurde die Elektrode auch während der Erstarrung ohne Anlegen von elektrischem Strom eingeführt (im Folgenden Nicht-EA-Erstarrung). Alle Gussexperimente wurden an einem Tag abgeschlossen, um experimentelle Abweichungen aufgrund verschiedener Umweltfaktoren wie Formbedingungen, Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit zu minimieren. Aus diesem Grund wurde die Anzahl der Wiederholungsexperimente für jede Versuchsbedingung auf zwei festgelegt.

Nachdem die Erstarrung abgeschlossen war, wurde die Probe in Längsrichtung parallel zu den Elektroden geschnitten, um die Makrostruktur (YZ-Ebene) zu beobachten. Der Schnittplan wurde mit einer Lösung geätzt, die 20 ml HCl, 20 ml HNO3, 20 ml H2O und 5 ml HF enthielt. Der Anteil der verfeinerten Fläche wurde mit der Open-Source-Software ImageJ Version 1.53e (verfügbar unter https://imagej.nih.gov/ij/) analysiert. Um die Mikrostruktur zu beobachten, wurden die Proben mechanisch auf 1 µm geschliffen und mit einer Standard-Barker-Lösung 15 Minuten lang bei 25 V elektrolytisch geätzt. Pro Probe wurden fünf Bilder mit einem Polarisationsmikroskop (NICON ECLIPSE MA200) analysiert und die Korngröße mit Bildanalysesoftware (IMT i-solution Inc I Solution DT-L) quantitativ gemessen.

Eine numerische Analyse wurde mit COMSOL Multiphysics 5.0 (COMSOL Inc., USA) durchgeführt, um das Fließphänomen von flüssigem reinem Aluminium zu verifizieren, an das ein elektrischer Strom angelegt wurde. Die Navier-Stokes-Gleichung wurde als maßgebliche Gleichung für den Fluss flüssigen reinen Aluminiums eingeführt und ein externer Kraftterm hinzugefügt, um die Wirkung der elektromagnetischen Kraft (dh der Lorentz-Kraft) zu bestimmen. Um einen elektromagnetischen Effekt anzuwenden, verwendeten wir auch eine verallgemeinerte Form konstitutiver Beziehungen für die elektrischen und magnetischen Felder. Darüber hinaus wurde eine in Bezug auf die Temperatur formulierte Energieerhaltungsgleichung verwendet, um die elektromagnetische Erwärmung von flüssigem Aluminium zu identifizieren. Weitere Einzelheiten zu den Gleichungen finden Sie in unserem vorherigen Artikel (siehe ergänzende Informationen)41. Die Oberseite der Form wurde als offene Grenze festgelegt, während auf andere Oberflächen keine Gleitwandbedingung angewendet wurde. Darüber hinaus wurde die Bedingung des Konvektionswärmeflusses angewendet, um eine Kühlung durch die Abkühlung an der Unterseite der Form zu erreichen. Für alle drei Arten von Hohlräumen wurde der gesamte Rechenbereich durch freie Tetraedernetze (maximale Größe 3 mm, minimale Größe 0,03 mm und maximale Wachstumsrate 1,13) diskretisiert und eine numerische Studie unter Verwendung einer zeitabhängigen Methode durchgeführt Solver über einen Bereich von 0–15 s.

Abkühlkurven der Nicht-EA-Erstarrung, die in der Mitte der Form für drei Arten von Hohlraumformen gemessen wurden, sind in Abb. 2a dargestellt. Das flüssige Metall begann bei 660 °C zu erstarren, was der Schmelztemperatur von reinem Aluminium entspricht. Um die makroskopische Abkühlgeschwindigkeit nach dem Eingießen von flüssigem Aluminium in jede Hohlraumform zu bewerten, wurde die Abkühlgeschwindigkeit aus der Temperaturänderung über 25 s vor Erreichen der Schmelztemperatur von 660 °C in der Mitte der Form berechnet. Sie wurde mit 1,7, 2,3 und 2,7 °C/s in den zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräumen gemessen (Abb. 2b). Die Vollendungszeit der Erstarrung wurde als der Zeitraum definiert, der vom Beginn bis zum Abschluss der Erstarrung bei 660 °C gehalten wurde. Je größer die untere oder obere Fläche und je kürzer die Höhe der Form (Abb. 1d), desto schneller ist die Abkühlgeschwindigkeit und kürzer die Zeit bis zum Abschluss der Erstarrung. Die Änderung der Erstarrungszeit entsprechend der Form des Hohlraums lässt sich gut mit der modifizierten Chvorinov-Regel42 erklären, die den Unterschied in der Form und im Hohlraumvolumen widerspiegelt.

(a) Abkühlkurve, gemessen in der Mitte der Form, und (b) Abkühlgeschwindigkeit der zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräume ohne Anlegen von elektrischem Strom während der Erstarrung (Nicht-EA-Erstarrung). Die durchgezogene und gestrichelte Linie in (a) sind die Ergebnisse wiederholter Experimente zur Bestätigung der Reproduzierbarkeit.

Beim Anlegen eines elektrischen Stroms an flüssiges Aluminium ist eine Schwankung der Abkühlkurve zu beobachten (Abb. 3a–c). Es wurde eine Schmelztemperatur von 660 °C beobachtet, was einer Nicht-EA-Erstarrung entspricht. Hier wurde die Abkühlrate zwischen 665 °C (der Temperatur, bei der der elektrische Strom angelegt wird) und 660 °C (Schmelztemperatur) als lokale Abkühlrate definiert, um die Auswirkung des elektrischen Stroms auf die Abkühlrate jeweils zu vergleichen Hohlraumform. Beachten Sie, dass die lokale Abkühlungsrate auch für die Nicht-EA-Erstarrung berechnet wird (Abb. 3d), die von der in Abb. 2b gezeigten makroskopischen Abkühlungsrate abweicht. Die lokale Abkühlgeschwindigkeit bei der EA-Erstarrung war in allen drei Hohlraumtypen höher als bei der Nicht-EA-Erstarrung (Abb. 3d). Sowohl bei der Nicht-EA- als auch bei der EA-Erstarrung wurde in keinem der drei Hohlraumtypen eine Unterkühlung beobachtet. Beachten Sie, dass keine Unterkühlung beobachtet wurde, obwohl die lokale Abkühlungsrate unmittelbar nach dem Anlegen eines elektrischen Stroms zunahm.

Vergleich der Abkühlungskurve zwischen Nicht-EA-Erstarrung und EA-Erstarrung von (a) den zylinderförmigen, (b) würfelförmigen und (c) quaderförmigen Hohlräumen. (d) Lokale Abkühlungsrate bei jeder Hohlraumform.

Die Makrostruktur der YZ-Ebene bei Nicht-EA- und EA-Erstarrung ist in Abb. 4a dargestellt. Bei der Nicht-EA-Erstarrung bilden sich in den zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräumen grobe säulenförmige Körner aus, die typische Erstarrungsstrukturen darstellen. Da die Körner bei der Nicht-EA-Erstarrung eine längliche Säulenform haben, wurden die Haupt- und Nebenachse der Körner berechnet, um die Korngröße zu bestimmen. Wie in Abb. 4b gezeigt, wurden für alle drei Arten von Hohlräumen die durchschnittlichen Längen der Haupt- und Nebenachse des Korns mit ~ 11 mm bzw. ~ 3 mm gemessen. Die Richtung des Kornwachstums verläuft aufgrund der gerichteten Erstarrung nahezu parallel zur Richtung von unten nach oben. Im Gegensatz dazu wurden bei der EA-Erstarrung deutlich gleichachsige Körner in allen drei Hohlraumtypen beobachtet. Die im Bodenbereich während der EA-Erstarrung beobachteten säulenförmigen Körner verfestigten sich vor dem Anlegen eines elektrischen Stroms.

(a) Makrostruktur und Mikrostruktur im Längsbereich (YZ-Ebene). Durchschnittliche Korngröße: (b) Nicht-EA-Erstarrung (Haupt- und Nebenachse) und (c) EA-Erstarrung (im verfeinerten Bereich). (d) Aspektverhältnis der Körner bei Nicht-EA-Erstarrung und EA-Erstarrung für die zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräume.

Bei der EA-Erstarrung zeigt die Morphologie der verfeinerten Körner sowohl in der Mitte als auch in den Seitenbereichen eine gleichachsige Form, und die Körner sind gleichmäßig innerhalb der verfeinerten Zone verteilt, wie in Abb. 4a dargestellt. Darüber hinaus wurde kein Unterschied in der Kornmorphologie entsprechend der Hohlraumform beobachtet. Die Korngröße im verfeinerten Bereich wurde sowohl für den Mittel- als auch für den Seitenbereich der YZ-Ebene gemessen und lag für jeden Hohlraum bei etwa 350 µm (Abb. 4c). Beachten Sie, dass die Körner bei der EA-Erstarrung effektiv auf ~ 350 µm verfeinert werden, verglichen mit der Korngröße von mehreren Millimetern, die bei der Nicht-EA-Erstarrung gemessen wird. Außerdem wurde ein niedrigerer Aspektverhältniswert von 1,6 bis 1,7 bei der EA-Erstarrung aufgrund der relativ gleichachsigen Kornform in allen drei Arten von Hohlraumformen im Vergleich zu 3,3 bis 4,6 bei der Nicht-EA-Erstarrung bestätigt (Abb. 4d).

Eine numerische Simulation wurde durchgeführt, um die Auswirkung der Anwendung eines elektrischen Stroms auf die Erstarrung auf der Grundlage der Fluiddynamik zu untersuchen. Wenn elektrischer Strom an flüssiges Aluminium angelegt wird, wird in allen drei Arten von Hohlräumen ein Fluss des Dichtefeldes des elektrischen Stroms erzeugt; Insbesondere entwickelt sich eine Stromlinie des Dichtefeldes des elektrischen Stroms dicht nach unten von der Elektrode (Abb. 5a). Zwischen den Elektroden bildete sich horizontal das Dichtefeld des elektrischen Stroms. In der Lorentzkraftkarte (Abb. 5b) war die Intensität der Lorentzkraft unterhalb der Elektroden am höchsten. Die maximalen Intensitäten der entwickelten Lorentzkraft in der XY-Ebene betragen 1,90 × 105, 1,50 × 105 und 1,73 × 105 N/mm3 für die zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräume.

(a) Karte der elektrischen Stromdichte und (b) Karte der Lorentzkraft für die zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräume aus der numerischen Simulation.

Die 3D-Geschwindigkeitskarten der Strömung in Abb. 6 zeigen eine deutliche zirkulierende Strömung für alle drei Hohlraumtypen. In früheren Studien wurde berichtet, dass der erzwungene Fluss von flüssigem Metall durch das Anlegen eines elektrischen Stroms aufgrund der Wechselwirkung von elektrischem Strom, Magnetfeld und Lorentzkraft erfolgt28,29,41. Die Konfiguration der zirkulierenden Strömung hängt von der Hohlraumform ab. Im zylinderförmigen Hohlraum erfolgt der Abwärtsfluss des flüssigen Aluminiums von unterhalb der Elektroden und der Aufwärtsfluss in einer um 90° gegenüber dem Abwärtsfluss gedrehten Richtung. Der Zirkulationsfluss entwickelte sich in Form von vier Abteilungen. (Abb. 6a). Sowohl bei würfel- als auch quaderförmigen Hohlräumen wurde eine starke Abwärtsströmung unterhalb der Elektroden beobachtet. Es entwickelte sich jedoch eine dreischichtige Zirkulationsströmung bestehend aus zwei Aufwärtsströmungen und einer Abwärtsströmung, die parallel zur XZ-Ebene verliefen. Im quaderförmigen Hohlraum mit längerem Elektrodenabstand dauert die Bildung einer dreischichtigen Strömung länger als in einem würfelförmigen Hohlraum mit kürzerem Elektrodenabstand. Das Zirkulationsverhalten des flüssigen Aluminiums variiert je nach Hohlraumform, die Geschwindigkeiten der Auf- und Abströmung werden jedoch für die drei Hohlraumtypen mit ähnlichen Intensitäten von 0,05–0,08 m/s berechnet. Der augenblickliche Anstieg der lokalen Abkühlungsrate durch Anlegen eines elektrischen Stroms in Abb. 3d kann durch die Beschleunigung der Abkühlung von flüssigem Aluminium aufgrund der zirkulierenden Strömung erklärt werden. Die 2D-Geschwindigkeits-, Temperatur- und Schergeschwindigkeitskarten in der YZ-Ebene für jede Hohlraumform aus der numerischen Simulation mit der Zeit werden in den Abbildungen ausführlich beschrieben. S1–3 in den Zusatzinformationen.

3D-Geschwindigkeitskarte für (a) die zylinderförmigen, (b) würfelförmigen und (c) quaderförmigen Hohlräume aus der numerischen Simulation.

Da das Volumen des flüssigen Aluminiums und die Intensität des angelegten elektrischen Stroms in den drei Hohlraumtypen gleich waren, war der Maximalwert der Schergeschwindigkeit ähnlich, etwa 400 s−1 für die drei Hohlraumtypen (Abb. 7). Ähnlich wie bei der Lorentzkraft wurde bestätigt, dass die Intensität der Schergeschwindigkeit unterhalb der Elektroden am höchsten ist. In früheren Studien zu den rheologischen Eigenschaften von Aluminium ist bekannt, dass eine Schergeschwindigkeit in der Größenordnung von Hunderten pro Sekunde das Aufbrechen der Agglomeration von Partikeln induziert, was zu einer Veränderung der Mikrostruktur, einschließlich der Korn- (oder Mikropartikel-)Größe und Morphologie, führt43,44 . Daher wird in dieser Studie unter selektiven experimentellen Bedingungen erwartet, dass die Intensität der Schergeschwindigkeit ausreicht, um durch Dendritenfragmentierung eine zusätzliche Keimbildung zu erzeugen und folglich die Mikrostruktur bei der EA-Erstarrung zu verfeinern.

Schergeschwindigkeitskarte für die zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräume aus der numerischen Simulation.

Genauer gesagt kann bei der EA-Erstarrung der an der Formwand gebildete Dendrit fragmentiert werden und fragmentierte Dendritspitzen können aufgrund des erzwungenen Flusses von flüssigem Aluminium in den nicht erstarrten Bereich abgegeben werden. Diese fragmentierten Dendritenspitzen können als zusätzliche Keimbildungsstellen dienen, wenn die Größe der fragmentierten Dendritenspitzen größer als der kritische Radius der Kerne ist. Darüber hinaus kann in einem festen Substrat eine neue heterogene Keimbildung entstehen, aus der durch Dendritenfragmentierung Kerne oder Dendriten abgetrennt werden. Es kann zu einer Erhöhung der Anzahl der Kerne führen. Es wird erwartet, dass die Erhöhung der Anzahl der Keime durch Dendritenfragmentierung, die durch den erzwungenen Fluss von flüssigem Aluminium hervorgerufen wird, einen signifikanten Einfluss auf die Kornverfeinerung bei der EA-Erstarrung im Vergleich zur Nicht-EA-Erstarrung hat.

Bezüglich der Hohlraumform bei der EA-Erstarrung zeigt die verfeinerte Korngröße bei allen drei Hohlraumtypen ähnliche Werte. Die Anzahl der Keime pro Volumeneinheit kann aus der Korngröße45 vorhergesagt werden. Daher ist zu erwarten, dass die Anzahl der Keime pro Volumeneinheit in allen drei Hohlraumtypen ähnlich ist. Unter Bezugnahme auf die Gibbs-Thomson-Ferreira-Gleichung für die Keimbildung basierend auf dem thermischen Feldgradienten46 kann der kritische Radius (${r}_{c}$) für homogene und heterogene Nichtgleichgewichtskeimbildung durch gegeben werden

wobei $\Delta T$ Unterkühlung und ${\Gamma }$ der Gibbs-Thomson-Koeffizient ist. Der Gibbs-Thomson-Koeffizient kann ausgedrückt werden als:

wobei $\vec{r}$ der Vektorradius ist, $\nabla {\mathbf{T}}$ der thermische Gradient normal zur Oberfläche von $A\left( {\vec{r} } \right)$, und $\hat{n}$ ist der Einheitsnormalenvektor46. Insbesondere für $\nabla {\mathbf{T}}$,

wobei $V, P, C_{i}$ und $T$ Volumen, Druck, Spezies und Temperatur sind46. Da alle drei Hohlraumformen ähnliche Hohlraumvolumina, die gleiche Zusammensetzung wie reines Aluminium und die gleichen Druckbedingungen (~ 1 atm) haben, kann angenommen werden, dass $\nabla {\mathbf{T}}$ dominant mit zusammenhängt $\nabla T$. In unserem Experiment hat ein quaderförmiger Hohlraum eine größere Oberfläche als ein zylinderförmiger Hohlraum, daher ist der Temperaturgradient im quaderförmigen Hohlraum der kleinste von drei Hohlraumtypen. Daher wird erwartet, dass der Wärmegradient in einem quaderförmigen Hohlraum auch der kleinste unter den drei Arten von Hohlraumformen ist. Dies bedeutet, dass der kritische Radius der Kerne in einem quaderförmigen Hohlraum am kleinsten ist, während er in einem zylinderförmigen Hohlraum am größten ist (${r}_{kritisch, quader}< {r}_{kritisch, kubisch}<{ r}_{kritisch, Zylinder})$. Kerne, die größer als der kritische Kernradius (${r}_{kritisch}$) in jeder Hohlraumform sind, überleben und wachsen zu Kristallkörnern heran. Je kleiner der kritische Radius der Kerne ist, desto höher ist außerdem die Anzahl der überlebenden Kerne für das Kornwachstum unter fragmentierten Dendritenspitzen unterschiedlicher Größe. Daher wird erwartet, dass die Anzahl der effektiven Kerne in quaderförmigen Hohlräumen am höchsten und in zylinderförmigen Hohlräumen am niedrigsten ist. Insbesondere in zylinderförmigen Hohlräumen können einige Keime aufgrund der relativ langen Verweilzeit bei der Schmelztemperatur wieder aufgeschmolzen werden. Daher ist die Gesamtzahl der effektiven Kerne pro Zeit (${\raise0.7ex\hbox{${N_{{Kerne}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{Kerne}} } } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$) wird voraussichtlich sein: quaderförmiger Hohlraum > würfelförmiger Hohlraum > zylinderförmiger Hohlraum . Jedoch erstarrtes Einheitsvolumen pro Zeit (${\raise0.7ex\hbox{${V_{{Einheit}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{V_{{Einheit}} } t }}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$) ist bei quaderförmigen Hohlräumen am höchsten, während es bei zylinderförmigen Hohlräumen am niedrigsten ist Unterschied in der Abkühlgeschwindigkeit. Schließlich ist die Anzahl der Kerne pro Volumeneinheit (${\raise0.7ex\hbox{${N_{{Kerne}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{Kerne}} } {V_{{unit}} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$}}$) kann durch Berücksichtigung von \ abgeleitet werden ({\raise0.7ex\hbox{${N_{{Kerne}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{Kerne}} } t}}\right.\kern-\ nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}\) und ${\raise0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$} \!\mathord{\left/ {\ vphantom {{V_{{unit}} } t}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{$t$}}$, und es wird erwartet, dass dieser Wert für alle drei ähnlich ist Arten von Hohlräumen, wie in Abb. S4 dargestellt. Das ähnliche ${\raise0.7ex\hbox{${N_{{Kerne}} }$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {{N_{{Kerne}} } {V_{{Einheit}} }}}\right.\kern-\nulldelimiterspace} \!\lower0.7ex\hbox{${V_{{unit}} }$}}$ dürfte einen großen Einfluss auf die ähnliche Korngröße in allen drei haben Arten von Hohlraumformen bei der EA-Erstarrung.

Wie in Abb. 6 gezeigt, war die Form der zirkulierenden Strömung zwar je nach Hohlraumform unterschiedlich, aber flüssiges Aluminium vermischte sich gut im inneren Hohlraum der Form. Daher können die neuen Keime gleichmäßig im unverfestigten Bereich verteilt werden, was zu einer geringen Variation der Korngröße in der verfeinerten Zone für jede Hohlraumform führt. Bei allen drei Arten von Hohlräumen wird der zirkulierende Fluss des flüssigen Aluminiums im Bereich auf der oberen Höhe der Form aufgrund der Schwerkraft gehemmt, was die Schergeschwindigkeit verringert. Die beobachtete verfeinerte Zone in der Mitte der Form lässt sich sowohl durch die Erstarrung von unten nach oben als auch durch die verringerte Schergeschwindigkeit auf der oberen Höhe der Form erklären.

Im quaderförmigen Hohlraum mit dem längsten Abstand zwischen den Elektroden unter den drei Hohlraumformen betrug die Korngröße in jedem Abschnitt der YZ-Ebene des linken und rechten Bereichs ungefähr 390 μm (wie in Abb. 8a beschrieben). In Abb. 8b wurde beobachtet, dass die maximale Schergeschwindigkeit ungefähr 46, 27,6 und 38,7 s−1 für den linken, mittleren bzw. rechten Bereich der YZ-Ebene betrug. Sie ist um etwa 10 niedriger als die Schergeschwindigkeit, die im Bereich unterhalb der Elektroden entsteht (~ 400 s−1). Daher können im Zwischenelektrodenbereich keine durch die Scherrate erzeugten neuen Keime, sondern durch die zirkulierende Strömung in den Zwischenelektrodenbereich befördert werden, was trotz der langen Zwischenelektroden zu einer gleichmäßigen Korngröße innerhalb der verfeinerten Zone führt Distanz.

(a) Korngröße im verfeinerten Bereich der YZ-Ebene im quaderförmigen Hohlraum. Numerische Simulation: (b) 2D-Schergeschwindigkeitskarte und (c) 2D-Geschwindigkeitskarte nach 4 s Anlegen von elektrischem Strom an einen quaderförmigen Hohlraum.

Es wird erwartet, dass der Flächenanteil der verfeinerten Zone durch die relative Beziehung zwischen der Anlegezeit des elektrischen Stroms und der Zeit bis zum Abschluss der Erstarrung beeinflusst wird. Die Flächenanteile der verfeinerten Zone betrugen etwa 29, 41 bzw. 50 % für die zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräume (Abb. 9a). Der Flächenanteil der Kornverfeinerungszone wurde auf der Grundlage der in Abb. 4a gezeigten zweidimensionalen YZ-Längsebene berechnet. Im Fall der zylinderförmigen Kavität wird ein elektrischer Strom entfernt (108 s), bevor die Erstarrung in der Mitte der Form abgeschlossen ist (Abb. 9b). Daher ist zu erwarten, dass nach dem Entfernen des elektrischen Stroms das Kornwachstum bestehender Keime im unverfestigten Bereich ohne zusätzliche Zufuhr von Keimen durch Dendritenfragmentierung erfolgt. In der würfelförmigen Kavität war die Anlegezeit des elektrischen Stroms etwa 20 s länger als die Zeit bis zum Abschluss der Erstarrung auf halber Höhe der Form (Abb. 9b). Dies impliziert, dass im unverfestigten flüssigen Aluminium oberhalb der mittleren Höhe der Form zusätzliche Keime erzeugt werden können, was zu einem höheren Anteil der raffinierten Zone im Vergleich zum zylinderförmigen Hohlraum führt. Sowohl in zylinder- als auch in würfelförmigen Hohlräumen weist die verfeinerte Zone in der YZ-Ebene eine V-Form auf, wie in Abb. 4a dargestellt. Dies kann durch die V-förmige Temperaturverteilung in der YZ-Ebene aufgrund der zirkulierenden Strömung in der 3D-Temperaturverteilungskarte von flüssigem Aluminium erklärt werden (Abb. 10a und b).

(a) Anteil der verfeinerten Zone in der longitudinalen YZ-Ebene bei der EA-Erstarrung. (b) Erstarrungszeit in der mittleren und oberen Höhe der Form bei der EA-Erstarrung für die zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräume. Gemessene Abkühlungskurve auf mittlerer Höhe des quaderförmigen Hohlraums bei (c) Nicht-EA-Erstarrung und (d) EA-Erstarrung. (e) Numerisch berechnete 2D-Temperaturverteilungskarte der XZ-Ebene in einem quaderförmigen Hohlraum.

3D-Temperaturverteilungskarte des flüssigen Aluminiums aus der numerischen Simulation für (a) die zylinderförmigen, (b) würfelförmigen und (c) quaderförmigen Hohlräume.

In den quaderförmigen Hohlraum wurde ein elektrischer Strom angelegt, bis die Erstarrung auf der oberen Höhe der Form abgeschlossen war, wie in Abb. 9b dargestellt. In der 3D-Temperaturverteilungskarte von flüssigem Aluminium im quaderförmigen Hohlraum (Abb. 10c) kühlt das flüssige Aluminium im mittleren Bereich der Breite schneller ab als das flüssige Aluminium neben den Elektroden. Selbst nachdem das flüssige Aluminium auf mittlerer Höhe der Form erstarrt ist, können Keime, die durch Anlegen eines elektrischen Stroms in dem unter den Elektroden vorhandenen, nicht erstarrten flüssigen Aluminium neu erzeugt werden, der oberen Höhe der Form in der Mitte der Breite zugeführt werden , was den höchsten Anteil an verfeinerter Zone ergibt. Die gemessenen Temperaturen im Mittel- und Seitenbereich auf halber Höhe der Form sind in Abb. 9c und d dargestellt. Bei der Nicht-EA-Erstarrung wird die Erstarrung im Seitenbereich, der einen Wärmeableitungspfad darstellt, schneller abgeschlossen. Bei der EA-Erstarrung ist die Erstarrung in der Mitte der Breite jedoch mehr als 9 s früher abgeschlossen als im Seitenbereich auf mittlerer Höhe der Form. Dies stimmt gut mit den Simulationsergebnissen für die 2D-Temperaturverteilungskarte der XZ-Ebene überein (Abb. 9e). Die in der Makrostruktur dargestellte V-förmige verfeinerte Zone (Abb. 4a) kann auch durch die V-förmige Temperaturverteilung in der YZ-Ebene beeinflusst werden, wie in Abb. 10c dargestellt.

In dieser Studie verwendeten wir elektrischen Strom als externe Energiequelle, um raffinierte Körner im Gusszustand zu erhalten. Diese Studie beleuchtet die Auswirkung von elektrischem Strom auf das Erstarrungsverhalten bei unterschiedlichen Hohlraumformen in einem festen Volumen. Die Erstarrungsstruktur wurde von mehreren Millimetern Korngröße (~ 11 mm) bemerkenswert auf etwa 350 μm verfeinert, und gleichachsige Körner mit geringerem Aspektverhältnis werden durch Anlegen eines elektrischen Stroms gleichmäßig mit einer kleinen Abweichung der Korngröße in der verfeinerten Zone verteilt Erstarrung in den zylinder-, würfel- und quaderförmigen Hohlräumen. In der numerischen Simulation wurde das Auftreten einer zirkulierenden Strömung beobachtet, und die Form der zirkulierenden Strömung in flüssigem Aluminium hängt von der Form des Hohlraums ab. Darüber hinaus wurde bestätigt, dass die durch die Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und flüssigem Metall erzeugte Lorentzkraft in jeder Hohlraumform ähnliche Werte aufwies und die Scherrate für die drei Hohlraumtypen ebenfalls ähnlich bei 400 s−1 lag, was erwartet wurde ausreichen, um die Agglomeration von Partikeln aufzubrechen und die Mikrostruktur zu verändern. Es wird erwartet, dass durch eine starke Schergeschwindigkeit neue Keime erzeugt werden, wenn nicht erstarrtes Aluminium unter der Elektrode hindurchtritt, und dass es aufgrund der zirkulierenden Strömung in den nicht erstarrten Bereich transportiert werden kann. Es wird erwartet, dass die Beobachtung einer ähnlichen Korngröße bei der EA-Erstarrung mit unterschiedlicher Hohlraumform durch das Keimbildungsverhalten und die Erstarrung entsprechend der Hohlraumform beeinflusst wird. Der Anteil der verfeinerten Zone variierte je nach Hohlraumform, wobei der niedrigste Wert bei etwa 29 % bei dem zylinderförmigen Hohlraum und der höchste bei etwa 50 % bei dem quaderförmigen Hohlraum lag. Dies wird durch die relative Beziehung zwischen der Zeit bis zum Abschluss der Erstarrung und der Zeit zum Anlegen des elektrischen Stroms erklärt.

Die Verwendung von elektrischem Strom als Prozessparameter zur Erzielung einer verfeinerten Mikrostruktur ist eine aufstrebende Technologie. Da die Form eines realen Produkts komplex ist, gibt es viele Überlegungen zur Steuerung der Mikrostruktur eines Gussprodukts. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms an das flüssige Metall entsteht eine Zirkulationsströmung, die von der Form des Hohlraums und den elektrischen Bedingungen abhängt. Um die Mikrostruktur mithilfe von elektrischem Strom effektiv steuern zu können, sollte daher das durch elektrischen Strom induzierte Phänomen im Zusammenhang mit Keimbildung und Erstarrung sorgfältig berücksichtigt werden. Diese Studie kann Einblicke in die mikrostrukturelle Kontrolle unter Berücksichtigung verschiedener Hohlraumformen mithilfe der durch elektrischen Strom unterstützten Erstarrung geben.

Alle in dieser Studie enthaltenen Daten sind auf Anfrage durch Kontaktaufnahme mit dem entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch das Industrial Strategic Technology Development Program (Nr. 20003937, Nr. 10081329, Nr. 20017502) unterstützt, das vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE, Korea) und einem Zuschuss der National Research Foundation of Korea (NRF) finanziert wurde von der koreanischen Regierung (MSIT) (Nr. 2017R1C1B2012459) und dem Korea Institute of Industrial Technology als „Entwicklung intelligenter Root-Technologie mit Zusatzmodulen (KITECH-EO-23-0007)“ zertifiziert. M.La wurde 2021 durch das Bildungs- und Forschungsförderungsprogramm von KOREATECH unterstützt.

Forschungs- und Entwicklungsabteilung für intelligente Flüssigkeitsverarbeitung, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon, 21999, Republik Korea

Seung Jun Choi, DongEung Kim und Moon-Jo Kim

School of Mechanical Engineering, Korea University of Technology and Education, Cheonan, 31253, Republik Korea

Moonwoo La

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SJC: Methodik, formale Analyse, Datenkuration, Untersuchung, Schreiben – Originalentwurf. DK: Formale Analyse, Datenkuration, Untersuchung. ML: Formale Analyse, Software, Supervision, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. M.-JK: Konzeptualisierung, Finanzierungseinwerbung, Projektverwaltung, Supervision, Schreiben – Überprüfung und Redaktion.

Korrespondenz mit Moonwoo La oder Moon-Jo Kim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Choi, SJ, Kim, D., La, M. et al. Einfluss der Hohlraumform auf die mikrostrukturelle Entwicklung von reinem Aluminium bei der elektrisch unterstützten Erstarrung. Sci Rep 13, 3382 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29522-y

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Eingegangen: 08. September 2022

Angenommen: 06. Februar 2023

Veröffentlicht: 28. Februar 2023

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

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