액체 Al의 표면 현상 모델링

Sep 21, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4642(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 연구는 액체 알루미늄-니켈(Al-Ni) 합금의 표면 장력에 대한 연구를 제시합니다. 이러한 합금은 표면 장력에 극적으로 영향을 미치는 특정 조성에서 단거리 순서로 원자 클러스터를 형성하기 때문에 이 시스템에 대한 적절한 표면 장력 값을 얻는 것은 간단한 작업이 아닙니다. 화합물 형성 모델은 이러한 클러스터가 표면 장력에 미치는 영향을 예측하지만 열역학 데이터가 부족하여 실험적 한계로 인해 검증이 방해를 받았습니다. 이 연구는 분자 역학(MD)을 사용하여 이러한 한계 중 일부를 극복하려고 시도합니다. MD 시뮬레이션에서 얻은 결과를 클러스터가 없는 등가 시스템의 결과와 비교함으로써 Al-Ni 표면 장력에 대한 원자 클러스터의 역할을 유추할 수 있었습니다. 이들 클러스터는 표면의 Al 함량을 감소시킴으로써 표면 장력을 증가시키는 것으로 밝혀졌습니다. 그들은 Al 원자를 가두어 표면으로의 이동을 방해함으로써 표면의 Al 함량을 감소시킵니다.

우수한 내식성과 열 안정성으로 인해 알루미늄-니켈(Al-Ni) 합금은 고온 구조용 응용 분야에 적합한 선택으로 간주됩니다1, 2. 또 다른 장점은 상대적으로 무게가 가볍다는 점이며, 기존 합금에 비해 최대 15% 감소합니다. 니켈-크롬(Ni-Cr)과 같이 유사하게 사용되는 기타 합금. 이러한 합금의 생산 및 제조에는 용융물의 주조성에 중요한 역할을 하는 표면 장력을 포함하여 합금의 특성에 대한 광범위하고 신뢰할 수 있는 지식이 필요합니다. 또한 이 특성은 결과적인 응고 구조와 결함의 존재에 영향을 미칠 수 있습니다. 용접 절차 중 표면 장력은 열 분포와 용접 침투 역학에 영향을 미치므로 접합의 신뢰성에 중요한 역할을 합니다3. 이는 액체 Al-Ni 합금의 표면 장력 연구의 중요성을 보여줍니다. 순수 Al4, 5, Ni6 및 Al-Ni 합금1, 7,8,9,10의 표면 장력을 얻기 위해 많은 실험적 시도가 이루어졌습니다. 역사적으로 Al-Ni 합금은 대부분의 이원 합금과 다른 거동을 보이기 때문에 이러한 합금의 표면 장력과 조성 사이의 관계는 항상 지속적인 관심의 주제였습니다. 표면 장력과 액체 A-B 이원 합금 조성 사이의 일반적인 관계는 Butler(식 1)11에 의해 모델링되었습니다. Butler는 액체 표면을 벌크와 평형을 이루는 추가 열역학적 위상으로 간주하여 모델 확장을 제공합니다11.

여기서 \(\gamma\)는 액체 이원 합금의 표면 장력, \(\gamma_{i}\)는 순수 성분 i의 표면 장력, \(N_{A}\)는 아보가드로 수, \ (k_{B}\)는 볼츠만 상수, \(T\)는 온도(K), \(c_{i}\)는 성분 i의 농도, \(a_{i}\)는 구성 요소의 활동 i. 위첨자 \(s\) 및 \(b\)는 각각 표면과 벌크에 대한 수량을 나타내는 데 사용됩니다. 아래 첨자 \(i\)는 해당 합금 성분을 나타내는 데 사용되며 \(i = A,{ }B\)12 값을 채택할 수 있습니다. \(\알파\)는 합금의 평균 몰 표면적입니다(\(\알파\)를 얻는 방법에 대한 자세한 내용은 보충 자료 참조).

표면 장력과 구성 사이의 관계는 원자 A와 B 사이의 상호 작용 정도에 따라 크게 달라지며, 이는 이상적인 솔루션, 일반 솔루션, 실제 솔루션에 따라 다릅니다. 이상적인 솔루션의 경우 A–A, A–B 및 B–B 쌍 상호 작용 간에 차이가 없다고 가정됩니다. 이 경우, Eq. (1)은 다음과 같이 감소합니다.

Guggenheim은 ​​이상적인 합금의 표면 장력을 얻기 위한 또 다른 접근법을 제안했습니다.

\(\gamma\), \(\gamma_{i}\), \(\alpha\), \(c_{i}^{b}\), \(T\) 및 \와 동일한 의미 (k_{B}\) 위에서 설명한 대로입니다. 구겐하임이 제안한 모델에 대한 자세한 내용은 보충자료를 참조하세요.