О необычном поведении расплава Al – Si в тонких капиллярах

Аннотация

В работе изложены результаты численного моделирования процесса разделения бинарного металлического расплава Al – Si, целиком заполняющего тонкий неоднородно нагретый капилляр. Ранее экспериментально и теоретически было изучено поведение похожих эвтектических расплавов и построена модель изучаемого явления. При этом в качестве рабочих смесей рассматривались следующие пары металлов: Pb – Sn, Pb – Bi, Cd – Bi, Zn – Al, Bi – Sb, Cu – Sn, Cu – Pb. В начальный момент времени распределение компонентов бинарного расплава контролировалось и было однородным по объему. Во всех перечисленных расплавах в ходе экспериментов наблюдалось аномально быстрое перераспределение тяжелого компонента в нижнюю часть капилляра. В опытах характерная разность концентраций на торцах достигала 20 %. Одно из объяснений данного поведения было дано авторами этой статьи и основывалось на предположении о ключевой роли сил поверхностного натяжения для поверхностно-активного компонента в рассматриваемых смесях. На основе закономерностей межфазной гидродинамики была построена модель данного явления, в рамках которой предполагалось, что алундовые или стеклянные стенки капилляров характеризуются несмачиваемостью по отношению к изучаемым парам металлов. Помимо этого в рабочем пространстве печи при выдержке металлов в расплавленном состоянии объективно имеет место неоднородное распределение температуры, соответствующее подогреву сверху (так называемая тепловая шапка). В результате за счет термокапиллярной силы вдоль границы раздела расплав – твердая граница организуется регулярный массоперенос тяжелого поверхностно-активного компонента в нижнюю часть капилляра, где примесь постепенно накапливается до тех пор, пока все потоки, вызванные внешними силами, на поверхности и в объеме не скомпенсируются концентрационно-капиллярной силой и диффузией. В то же время, экспериментально было обнаружено, что сплав Al– Si ведет себя аномально по отношению ко всем перепробованным парам металлов. Здесь, наоборот, тяжелый компонент накапливается в верхней части капилляра. Объяснение этой аномалии дается в данной статье и заключается в том, что поверхностно-активным в этой паре металлов является легкий алюминий. Именно этот компонент выдавливается на поверхность и под действием термокапиллярной силы переносится вниз вдоль поверхности капилляра. Затем за счет десорбции он возвращается в объем, где и накапливается. Несмотря на то, что в результате процессов переноса возникает неустойчивая стратификация, легкий компонент не в состоянии конвективно быстро всплыть по причине большого гидродинамического сопротивления тонкого капилляра. Как показывают оценки и прямое численное моделирование, термокапиллярный механизм в данной геометрии доминирует над архимедовой подъемной силой, поэтому приток легкого компонента в нижнюю часть капилляра превалирует над убылью, что и вызывает накопление тяжелого компонента в верхней части канала.