Modelagem de fenômenos de superfície de Al líquido

Jan 30, 2024

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4642 (2023) Cite este artigo

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Este trabalho apresenta um estudo sobre a tensão superficial de ligas líquidas de Alumínio-Níquel (Al-Ni). Obter valores adequados de tensão superficial para esse sistema não é uma tarefa simples, pois essas ligas apresentam a formação de aglomerados atômicos de ordem de curto alcance em determinadas composições, o que influencia drasticamente a tensão superficial. O Modelo de Formação Composta prevê a influência desses aglomerados na tensão superficial, mas limitações experimentais obstruíram sua validação devido a dados termodinâmicos deficientes. Este trabalho tenta superar algumas dessas limitações usando a Dinâmica Molecular (MD). Comparando os resultados obtidos das simulações MD com os de um sistema equivalente sem clusters, foi possível inferir o papel dos clusters atômicos na tensão superficial Al-Ni. Verificou-se que esses aglomerados aumentam a tensão superficial diminuindo o teor de Al na superfície. Eles conseguem essa redução no teor de Al na superfície prendendo os átomos de Al e impedindo sua viagem para a superfície.

Devido à sua boa resistência à corrosão e estabilidade térmica, as ligas Alumínio-Níquel (Al-Ni) são consideradas uma boa escolha para aplicações estruturais em altas temperaturas1, 2. Uma vantagem adicional é seu peso relativamente baixo, com reduções de até 15% em comparação com outras ligas usadas de forma semelhante, como Níquel-Cromo (Ni-Cr). A produção e a fabricação dessas ligas requerem um conhecimento amplo e confiável de suas propriedades, incluindo a tensão superficial, que desempenha um papel significativo na fundibilidade do fundido. Além disso, esta propriedade pode afetar a estrutura de solidificação resultante e a presença de defeitos. Durante o procedimento de soldagem, a tensão superficial afeta a distribuição de calor e a dinâmica de penetração da solda e, portanto, tem um papel significativo na confiabilidade das juntas3. Isso mostra a importância de estudar a tensão superficial das ligas Al-Ni líquidas. Muitas tentativas experimentais foram feitas para obter a tensão superficial de ligas puras de Al4, 5, Ni6 e Al-Ni1, 7,8,9,10. Historicamente, a relação entre a tensão superficial e a composição dessas ligas sempre foi um tópico de interesse contínuo, uma vez que as ligas Al-Ni apresentam um comportamento diferente da maioria das ligas binárias. A relação geral entre a tensão superficial e a composição de uma liga binária A-B líquida foi modelada por Butler (Eq. 1)11. Butler fornece uma extensão ao modelo considerando a superfície de um líquido como uma fase termodinâmica adicional em equilíbrio com o bulk11.

onde \(\gamma\) é a tensão superficial de uma liga binária líquida, \(\gamma_{i}\) é a tensão superficial do componente puro i, \(N_{A}\) é o número de Avogadro, \ (k_{B}\) é a constante de Boltzmann, \(T\) é a temperatura (K), \(c_{i}\) é a concentração do componente i, \(a_{i}\) é a atividade do componente i. Os sobrescritos \(s\) e \(b\) são usados ​​para indicar as quantidades referidas à superfície e ao bulk, respectivamente. O subscrito \(i\) é usado para denotar o componente de liga correspondente, podendo adotar os valores \(i = A,{ }B\)12. \(\alpha\) é a área média da superfície molar da liga (Para mais detalhes sobre a obtenção de \(\alpha\) veja o material suplementar).

A relação entre tensão superficial e composição depende muito do grau de interação entre os átomos A e B, que é diferente para soluções ideais, regulares e reais. Para uma solução ideal, hipotetiza-se que não há diferença entre as interações dos pares A–A, A–B e B–B13. Neste caso, a Eq. (1) reduz-se a:

Outra abordagem para obter a tensão superficial de uma liga ideal foi proposta por Guggenheim14:

com o mesmo significado de \(\gamma\), \(\gamma_{i}\), \(\alpha\), \(c_{i}^{b}\), \(T\) e \ (k_{B}\) conforme explicado acima. Para mais detalhes sobre o modelo sugerido pelo Guggenheim, ver material complementar.