Characterization of dendritic array during downward transient directionally solidified AL-CU alloys

Os espaçamentos dendríticos são parâmetros microestruturais importantes, resultantes do processo de solidificação. Eles afetam os perfis de microssegregação e governam a formação de segundas fases na região interdendrítica, influenciando, conseqüentemente, as propriedades mecânicas do material. Poucos estudos têm analisado os efeitos da convecção no líquido interdendrítico, bem como a influência da direção de crescimento em relação à gravidade nos espaçamentos dendríticos. Neste trabalho, foi utilizado um dispositivo de solidificação unidirecional vertical descendente, constituído por uma lingoteira de aço inox com diâmetro interno de 56mm, 150mm de comprimento e 10mm de espessura. Na parte superior, foi posicionada uma câmara de refrigeração a água do mesmo material do molde e com espessura útil de 3,0 mm. Após a obtenção dos lingotes e registrados os respectivos perfis térmicos experimentais, foram determinadas as variáveis térmicas de solidificação: coeficiente de transferência de calor metal/molde, velocidades de deslocamento da isoterma liquidus, gradientes térmicos, tempos locais de solidificação e taxas de resfriamento para a solidificação unidirecional descendente de ligas hipoeutéticas do sistema Al-Cu (Al3%Cu, Al5%Cu e Al8%Cu). Estas variáveis térmicas foram confrontadas com as previsões teóricas de um modelo numérico de solidificação e em seguida correlacionadas com os parâmetros microestruturais experimentais (espaçamentos dendríticos primários e secundários). Dessa forma, foram determinadas equações experimentais de crescimento para a solidificação descendente. As previsões teóricas de modelos de crescimento dendrítico representativos da literatura foram conftontadas com os resultados experimentais. Realizou-se também uma análise comparativa destes espaçamentos dendríticos com resultados obtidos para solidificação vertical ascendente de ligas de mesma composiçãoThe dendritic spacings are important microstructural parameters, involved in solidification processes. They can affect not only microsegregation profiles but also the formation of secondary phases within interdendritic regions, which influences mechanical properties of cast structures. A small number of studies have been carried out in order to analyze the effects of melt convection within the interdendritic region or to verify the influence of growth direction on dendritic arm spacings. In this work, an experimental set-up of downward solidification with a stainless steel mold, having an internal diameter of 56mm, height 150mm and wall thickness of 10mm, was used. The upper part of the split mold was closed with a water-cooling chamber made of stainless steel, with a wall thickness of 3 mm. Besides, a combined theoretical and experimental approach is developed to quantitatively determine solidification thermal variables such as: transient metallmold heat transfer coefficient, tip growth rate, thermal gradient, tip cooling rate and local solidification time during downward transient solidification of hypoeutectic AI-Cu alloys solidified downwards (Al-3wt%Cu, Al-5wt%Cu and Al-8wt%Cu). These solidification thermal variables are correlated with dendritic spacings (primary and secondary spacings), which have been measured along cross and longitudinal sections of ingots solidified under downward transient heat flow conditions. Predictive theoretical models for dendritic spacings have been compared with experimental observations. A comparison between upward and downward unsteady-state results for dendritic spacings has also been conducte