Simulação e modelagem do processo de solidificação de ligas Al-Cu via modelo do campo de fase acoplado a técnica de transição colunar- equiaxial

Com a necessidade crescente de produzir ligas com as propriedades mecânicas cada vez mais adequadas para o uso a que se destinam, muitos modelos matemáticos foram desenvolvidos para simular o fenômeno de solidificação. O modelo da previsão da Transição colunar­equiaxial (TCE) é um modelo matemático capaz de indicar o momento da solidificação em que a macroestrutura passa a se dividir em zona colunar e zona equiaxial. Esse modelo é desenvolvido com base no conceito de envelopes envolvendo os grãos equiaxiais e com base nas equações macroscópicas de conservação de massa e espécies químicas. Entretanto, o modelo de previsão da TCE não possibilita a simulação da morfologia formada. Ao passo que o modelo do Campo de fase é um modelo matemático eficaz em descrever e simular a evolução de interfaces complexas entre as fases sólida e líquida, como o caso da solidificação de ligas metálicas. Ele utiliza uma variável chamada variável de fase () que adquire valores entre 0 e 1 dependendo da fase em que se encontra, sólido, líquido ou interface. Um acoplamento entre o modelo matemático para prever a transição colunar­equiaxial e o modelo do Campo de fase para simulação da morfologia dendrítica formada durante a solidificação de ligas binárias está sendo proposto. Inicialmente foram realizadas simulações dos modelos em separados e, numa segunda etapa, foram realizadas simulações dos modelos acoplados. No acoplamento, simulações foram conduzidas para mostrar a influência de algumas variáveis de solidificação, tais como: densidade de núcleos equiaxiais, super­resfriamento, concentração de soluto, difusividade do soluto no líquido e taxa de resfriamento no momento da transição colunar­equiaxial e na morfologia dendrítica. O objetivo do acoplamento é simular a evolução da morfologia dendríticas antes e depois da TCE. E também, mostrar a influência de variáveis macroscópicas do processo de solidificação a níveis microscópicos da estrutura do material solidificado. Os modelos acoplados foram formulados para a solidificação de ligas binárias Al­Cu. Através de simulações realizadas neste trabalho, foi feita uma análise das características das estruturas obtidas em diferentes condições de solidificação, comparando estes resultados com as teorias clássicas de solidificação encontradas na literatura. Nesta etapa foi simulada a evolução dos grãos, bem como a evolução dos campos de concentração durante o processo de solidificação.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorWith the growing necessity to produce alloys with mechanical properties more appropriate to the intended use, many mathematical models have been developed to simulate the solidification phenomenon. The prediction model of the columnarequiaxed transition (CET) is a mathematical model able to indicate the moment of solidification that the macrostructure begins to break into column zone and equiaxed column. This model is developed based in the concept of envelopes wrapping the equiaxed grains and based in the macroscopic equations of the mass conservation and chemical specimens. However, the prediction model of the (CET) does not allow the simulation of the formed morphology. The field phase model is a mathematical model effective to describe and simulate the evolution of complex interfaces between the solid and liquid phases, i.e. the solidification of steel alloys. It uses a variable of phase that assumes values between 0 and 1 depending of the phase that it is solid, liquid or interface. A coupling between the mathematical model to foresee the columnarequiaxed and the field phase model to simulate the dendritic morphology formed during the solidification of binary alloys is being proposed. Initially were performed simulations of models apart and, in a second step, were performed simulations of coupled models. After the coupling, simulations were performed to show the influence of some variables of the solidification, e.g.: density of equiaxed cores, super­cooling, solute concentration, diffusivity of the solute in the liquid and cooling rate in the columnar­equiaxed transition and in the dendritic morphology. The objective of the coupling is to model the morphology of the grains previously predicted by the model of the CET, during different solidification processes, as well as, show the influence of macroscopic variables of the solidification process at microscopic levels of the structure of the solidified material. The coupled models were formulated to the solidification of binary alloys Al­Cu. Through the simulations performed in this paper, an analysis of the characteristics of the obtained structures in different solidification conditions, comparing these results with the classic solidification theories in the literature. In this step the grain evolution was simulated, as well as the evolution of the concentration fields during the solidification process.128 p