Simulation of gas porosity formation and interaction with dendrite and eutectic structures during solidification of Al-Si alloys

材料科学 共晶体系 枝晶(数学) 成核 多孔性 微观结构 定向凝固 扩散 化学工程 热力学 冶金 复合材料 几何学 化学 工程类 数学 有机化学 物理
作者
Mengdan Hu,Dongke Sun,Mingfang Zhu
出处
期刊:Materials & Design [Elsevier BV]
卷期号:241: 112977-112977 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.matdes.2024.112977
摘要

A two-dimensional (2-D) multi-phase cellular automaton (CA)-finite difference (FD)-lattice Boltzmann (LB) coupled model is developed to simulate the hydrogen pore formation during dendritic and eutectic solidification of hypoeutectic Al-Si alloys. In this model, the dendrite and eutectic structures are simulated using a CA technique. The solute diffusion is solved by the FD method. The nucleation, growth, and motion behavior of gas pore, and hydrogen transport are simulated by a LB Shen-Chen scheme. It is found that the pores can grow fully but compete in the primary dendrite growth stage. Conversely, pores newly nucleated in residual inter-dendrite liquid during the eutectic solidification stage grow restrictedly and independently. Pore shape severely deformed by the compression of the surrounding solid structures. Moreover, the effects of the initial Si composition, initial hydrogen concentration and cooling rate on the pore formation are qualitatively and quantitatively studied. It is found that the initial Si composition significantly impacts on the pore size and distribution, but little effect on the porosity percentage which decreases markedly with the decreasing initial hydrogen concentration and increasing cooling rate. Comparison reveals that the simulated microstructure morphological characteristics and the predicted porosity percentage agree well with the experimental observation reported in the literature.
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