Modellazione dei fenomeni superficiali dell'Al liquido

Sep 21, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4642 (2023) Citare questo articolo

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Questo lavoro presenta uno studio sulla tensione superficiale delle leghe liquide di alluminio-nichel (Al-Ni). Ottenere valori adeguati di tensione superficiale per questo sistema non è un compito semplice poiché queste leghe presentano la formazione di cluster atomici con ordine a corto raggio in determinate composizioni, che influenzano notevolmente la tensione superficiale. Il modello di formazione dei composti prevede l’influenza di questi cluster sulla tensione superficiale, ma le limitazioni sperimentali ne hanno ostacolato la validazione a causa di dati termodinamici carenti. Questo lavoro tenta di superare alcune di queste limitazioni utilizzando la Dinamica Molecolare (MD). Confrontando i risultati ottenuti dalle simulazioni MD con quelli di un sistema equivalente senza cluster, è stato possibile dedurre il ruolo dei cluster atomici sulla tensione superficiale Al–Ni. Si è scoperto che questi cluster aumentano la tensione superficiale diminuendo il contenuto di Al in superficie. Ottengono questa riduzione del contenuto di Al in superficie intrappolando gli atomi di Al e impedendo il loro viaggio verso la superficie.

Grazie alla loro buona resistenza alla corrosione e stabilità termica, le leghe di alluminio-nichel (Al-Ni) sono considerate una buona scelta per applicazioni strutturali ad alte temperature1, 2. Un ulteriore vantaggio è il loro peso relativamente basso, con riduzioni fino al 15% rispetto alle leghe altre leghe utilizzate in modo simile, come il nichel-cromo (Ni-Cr). La produzione e la fabbricazione di queste leghe richiedono una conoscenza approfondita e affidabile delle loro proprietà, inclusa la tensione superficiale che svolge un ruolo significativo nella colabilità del fuso. Inoltre, questa proprietà può influenzare la struttura di solidificazione risultante e la presenza di difetti. Durante la procedura di saldatura, la tensione superficiale influisce sulla distribuzione del calore e sulla dinamica di penetrazione della saldatura e svolge quindi un ruolo significativo nell'affidabilità delle giunzioni3. Questi dimostrano l’importanza dello studio della tensione superficiale delle leghe liquide Al-Ni. Sono stati fatti molti tentativi sperimentali per ottenere la tensione superficiale di leghe pure di Al4, 5, Ni6 e Al–Ni1, 7,8,9,10. Storicamente, la relazione tra tensione superficiale e composizione di queste leghe è sempre stata un argomento di continuo interesse poiché le leghe Al-Ni mostrano un comportamento diverso da quello della maggior parte delle leghe binarie. La relazione generale tra tensione superficiale e composizione di una lega binaria liquida A–B è stata modellata da Butler (Eq. 1)11. Butler fornisce un'estensione al modello considerando la superficie di un liquido come un'ulteriore fase termodinamica in equilibrio con la massa11.

dove \(\gamma\) è la tensione superficiale di una lega binaria liquida, \(\gamma_{i}\) è la tensione superficiale del componente puro i, \(N_{A}\) è il numero di Avogadro, \ (k_{B}\) è la costante di Boltzmann, \(T\) è la temperatura (K), \(c_{i}\) è la concentrazione del componente i, \(a_{i}\) è la attività del componente i. Gli apici \(s\) e \(b\) vengono utilizzati per indicare quantità riferite rispettivamente alla superficie e alla massa. Il pedice \(i\) viene utilizzato per denotare il corrispondente componente della lega e può assumere i valori \(i = A,{ }B\)12. \(\alpha\) è la superficie molare media della lega (per maggiori dettagli su come ottenere \(\alpha\) vedere il materiale supplementare).

La relazione tra tensione superficiale e composizione dipende molto dal grado di interazione tra gli atomi A e B, che è diverso per le soluzioni ideali, regolari e reali. Per una soluzione ideale, si ipotizza che non vi sia alcuna differenza tra le interazioni delle coppie A–A, A–B e B–B13. In questo caso, l'Eq. (1) si riduce a:

Un altro approccio per ottenere la tensione superficiale di una lega ideale è stato proposto da Guggenheim14:

con lo stesso significato di \(\gamma\), \(\gamma_{i}\), \(\alpha\), \(c_{i}^{b}\), \(T\), e \ (k_{B}\) come spiegato sopra. Per maggiori dettagli sul modello suggerito da Guggenheim, vedere il materiale supplementare.