دانلود رایگان ترجمه مقاله تأثیر سرعت خنک‌ سازی بر انجماد به کمک آنالیز حرارتی (اسپرینگر 2016)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

اختلاف دمایی بین دیواره و مناطق مرکزی (∆T = TW – TC) در طول انجماد تعیین شده، و منحنی ∆T در هر آزمایش رسم شد. اولین نقطه مینیمم در منحنی ∆T (یا اولین ماکزیمم در تفاوت دمایی) پس از جوانه زنی برای تعیین DCP استفاده شده است. کسر جامد و نقطه دمایی مربوطه، f_s^DCPو TDCP، نیز محاسبه شدند. در این مقاله، تکنیک آنالیز حرارتی برای کمی کردن کسری از جامد در طی فرآیند انجماد نمونه آزمایش، استفاده شده است. مقدار گرمای حاصل از یک نمونه ی آزمایش در حال انجماد می تواند به عنوان ناحیه ادغام شده بین منحنی مشتق اول و منحنی صفر محاسبه شود (خط پایه). این مقدار حرارت متناسب با کسری از جامد است. دقت محاسبه به شدت به ارزیابی منحنی صفر، بستگی دارد. آنالیز ارائه شده در این مقاله برای محاسبه منحنی صفر براساس مدل نیوتنی توسط استفانسو و همکاران، اتخاذ شده است. بنابراین، برای تعیین کسری از جامد، منحنی سرمایش (CC)، منحنی مشتق اول و منحنی صفر (ZC) رسم شدند. سرانجام، کسری از جامد به صورت عددی از معادله (1) محاسبه شد: Cp/L (ناحیه بین منحنی سرمایش و منحنی صفر در زمان t) است.
نتایج و بحث
منحنی های سرمایش
شکل 2a منحنی سرمایش و مشتق اول آن در آلیاژ ADC12 را نشان می دهد. لیکوئیدوس، یوتکتیک Al + Si و پست یوتکتیک مس، سه منطقه ی مهم نشان داده شده در این نمودار هستند. منطقه بزرگنمایی شده ی لیکوئیدوس در منحنی سرمایش و منحنی مشتق اول آن برای آلیاژ ADC12 در شکل 2b نشان داده شده است. مهم ترین پارامترهای سرمایش در هر ناحیه از منحنی های سرمایش قرار گرفته اند. پارامترهای مختلفی که از منحنی های سرمایش و فرعی اندازه گیری می شوند، پارامترهای لیکوئیدوس، محدوده انجماد، زمان کل انجماد و نقطه همدوسی دندریتی هستند. برای محاسبه نرخ سرمایش (CR)، شیب منحنی در محدوده دمایی 590-650 درجه سانتیگراد اندازه گیری می شود.
منحنی های سرمایش ثبت شده برای آلیاژ ADC12 با نرخ های مختلف سرمایش در شکل 3 نشان داده شده است. مشاهده می شود که هنگام افزایش نرخ سرمایش، مناطق فازی مختلف جابجا می شوند. این جابجایی پارامترهای مشخصه ی آنالیز حرارتی به ویژه در منطقه لیکوئیدوس را تغییر می دهد. با افزایش نرخ سرمایش، تیزی منحنی های سرمایش کم تر می شود.
نرخ سرمایش متناسب با استخراج گرما از نمونه در حین انجماد است. بنابراین در نرخ سرمایش پایین (oC s-1 1.2) نرخ استخراج حرارت از نمونه نیز پایین بوده و شیب منحنی سرمایش اندک است. بنابراین، یک منحنی سرمایش گسترده ایجاد می کند. اما در نرخ سرمایش بالا (oC s-1 7.2) نرخ استخراج حرارت از نمونه سریع بوده، شیب منحنی سرمایش تند است و باعث ایجاد منحنی سرمایش باریک می شود.

پارامترهای لیکوئیدوس
شکل 4 اثر نرخ سرمایش را بر دمای جوانه زنی (دمای لیکوئیدوس) آلیاژ ADC12 نشان می دهد. وقتی که نرخ سرمایش از 1.2 به oC s-1 7.2 افزایش یابد، دمای لیکوئیدوس نیز از 621 به oC 642 افزایش می-یابد. افزایش نرخ سرمایش، استخراج حرارت را افزایش می دهد. بنابراین، مذاب در دمای پایین تر از نقطه ذوب تعادل خنک می شود. این موقعیت جوانه های بیشتری را به دلیل وجود فوق تبرید مناسب، فراهم می کند تا جوانه بزنند. بنابراین، جوانه زنی به آسانی و به سرعت ادامه می یابد.
به عبارت دیگر، با کاهش دمای ذوب از نقطه ذوب تعادل، فاز جامد از نظر ترمودینامیکی پایدار شده و گذار مایع به جامد شروع می شود. سرعت این گذار عمدتا به سرعت استخراج حرارت بستگی دارد. نرخ سرمایش بالاتر باعث می شود که سرعت استخراج حرارت سریع تر و فوق تبرید بیشتر باشد. این امر منجر به جوانه زنی آسان تر و سریع تر که دمای جوانه زنی یا دمای ذوب را افزایش می دهد، می شود. از طرف دیگر، دمای جوانه زنی رابطه معکوسی با سد انرژی برای جوانه زنی دارد. بنابراین، افزایش نرخ سرمایش سد انرژی را کاهش داده و منجر به دمای بالاتر جوانه زنی می شود. شبستری و ملکان، همچنین همین روند را برای آلیاژ 319 آلومینیوم ذکر کرده اند.
دماهای جوانه زنی و فوق تبرید گرمای نهان فازی، ∆TN,α و ∆TR,α، برای آلیاژ ACD12 در نرخ های سرمایش مختلف همانطور که در شکل های 5 و 6 نشان داده شده، اندازه گیری شد. افزایش نرخ سرمایش از 1.2 به oC s-1 7.2، فوق تبرید جوانه زنی را تا حدود oC 19.4 افزایش داده و فوق تبرید گرمای نهان فازی را از 3.41 به oC 0.5 کاهش می دهد. نرخ سرمایش سریع باعث افزایش نرخ استخراج حرارت از مذاب شده و جوانه های بیشتری در مذاب موجودند تا فعال شوند. شرایط رشد تسهیل می شود. از طرف دیگر، با افزایش نرخ سرمایش، مذاب در دمای پایین تر از دمای منحنی مذاب خنک می شود و در نتیجه، جوانه زنی فوق تبرید افزایش یافته و این باعث می شود جوانه زنی راحت تر صورت گیرد. مشابه رشد بلوری، نیروی محرکه جوانه زنی تابعی از فوق تبرید تولید شده طی فرآیند انجماد است. در صورتی که جوانه های ناهمگن کافی وجود داشته باشد، فوق تبرید مشاهده شده به سختی از چند درجه تجاوز می کند، اما هنگامی که مایع تصفیه می شود، بدون تماس با این جوانه ها، فوق تبرید نقش مهم تری در جوانه زنی ایفا می کند. این میزان فوق تبرید با نرخ سرمایش بالاتر می تواند فراهم شود. رابطه بین نرخ سرمایش و میزان فوق تبرید می تواند بسیار کاربردی باشد، چرا که رابطه بین شرایط رشد (نرخ سرمایش) و پتانسیل جوانه زنی (فوق تبرید جوانه زنی) را نشان می دهد. عمادی و وایتینگ و بکرود و همکاران نتایج مشابهی را گزارش کردند.
برخی محققان اظهار داشتند که تبادل حرارتی در ساختار ظریف کاهش می یابد، زیرا در جوانه زنی مناسب نیاز به گرمایش از بین می رود. از آنجا كه سرمایش سريع منجر به جوانه زنی نسبی می شود، بنابراين انتظار مي رود كه فوق تبرید گرمای نهان فازی كاهش يابد. از آنجا که تعیین ∆TR,α، در یک منحنی سرمایش آسان است، می توان از رابطه نرخ سرمایش و فوق تبرید گرمای نهان فازی برای تعیین توانایی جوانه زنی استفاده کرد. این نتایج با نتایج گزارش شده توسط آناتا و همکاران تأیید می شود.

محدوده ی انجماد و زمان کل انجماد
محدوده ی انجماد به عنوان اختلاف در دماهای بین اولین و آخرین انجماد مایع به جامد، تعریف می شود. زمان انجماد نیز فاصله زمانی بین شروع و پایان انجماد است. شکل های 7 و 8 به ترتیب اثر نرخ سرمایش بر محدوده ی انجماد (∆Ts) و زمان انجماد (tf) را نشان می دهد. با افزایش نرخ سرمایش از 1.2 به oC s-1 7.2، محدوده انجماد حدود oC 25 افزایش یافته، اما زمان کل انجماد حدود 452 ثانیه (حدود 7.5 دقیقه) کاهش می یابد. همانطور که در شکل 3 دیده می شود؛ با افزایش نرخ سرمایش، منحنی سرمایش به صورت عمودی کشیده شده و به صورت افقی فشرده می شود. این اتفاق نتیجه توسعه سریع جبهه انجماد و ارتباط مستقیم آن با زمان سرمایش و محدوده گسترده تر انجماد است. زمان انجماد مطابق با معادله (2) به نرخ سرمایش مربوط می شود:
tf = A(C.R)-n (2)
در اینجا A و n ثابت های معادله هستند.
محدوده های انجماد برای تشکیل و رشد دندریت های α-Al (∆Tα = TN,α – TN,Si)، یوتکتیک Al-Si (∆TSi = TN,Si – TN,Cu) و فاز غنی از مس (∆TCu = TN,Cu – Ts) در برابر نرخ سرمایش در شکل 9 رسم شده است. دیده می شود که افزایش نرخ سرمایش، محدوده انجماد دندریت های α-Al و تشکیل یوتکتیک Al-Si را افزایش داده، اما ∆TCu را کاهش می دهد. بنابراین، در نرخ های سرمایش بالا، حجم بیشتری از دندریت های α-Al و یوتکتیک Al-Si تشکیل می شود. اثر نرخ سرمایش بر زمان انجماد دندریت های α-Al (tα)، یوتکتیک Al-Si (tSi) و فاز غنی از مس (tCu) در شکل 10 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود، کاهش در زمان کل انجماد در رشد شبکه دندریتی، یوتکتیک Al-Si و تشکیل فاز غنی از مس رخ داده و این کاهش در tα قابل توجه تر است. همچنین گوری ، کاهش زمان کل انجماد را به عنوان تابعی از نرخ سرمایش برای آلیاژهای 356 و 359 گزارش کرده است. محدوده انجماد و زمان کل انجماد، پارامترهای ورودی مهم برای هر مدل سازی انجماد هستند.

نقطه همدوسی دندریت
منحنی اختلاف دمایی معمولی بین دیواره و مرکز قالب در برابر زمان انجماد (منحنی ∆T) برای آلیاژ ADC12 در شکل 11 نشان داده شده است. مینیمم منحنی DCP است، چرا که رشد تصاعدی دندریت ها در مرکز متوقف شده و سپس، منحنی ∆T شروع به بازگشت به حالت پایدار در مقدار تقریبی صفر درجه سانتیگراد می کند، چرا که دندریت ها در سرتاسر ریخته گری ضخیم می شوند.
یکی از مهم ترین کاربردهای DCP در ریخته گری، بهبود توانایی تغذیه گذاری و کاهش تخلخل از طریق افزایش کسری جامد در نقطه همدوسی است. پس از DCP، مایع باید از میان چارچوب جامد دندریتی و فاصله بندی مناطق عبور کند. بنابراین، تلاش برای به تعویق انداختن DCP و افزایش کسر جامد قبل از تشکیل اسکلت دندریتی به جلوگیری از ایجاد نواقص ریخته گری کمک می کند. کسرجامد در DCP آنقدر مهم است که کمپبل از آن به عنوان توانایی تغذیه گذاری و شکل پذیری تخلخل یاد کرد.