Inestabilidades de las regiones líquidas y pastosas durante la solidificación de aleaciones

La solidificación de los fundidos puede ser profundamente influenciada por la convección. En aleaciones, la convección composicional puede ser impulsada por gradientes de soluto generados cuando un componente de la aleación es incorporado preferentemente dentro del sólido, incluso cuando el campo térmico es estabilizante. En este artículo, se descubren dos modos de convección composicional durante la solidificación desde abajo utilizando un análisis de estabilidad lineal: uno, que llamaremos 'modo de capa pastosa', es impulsado por el fluido residual buoyante dentro de una capa pastosa, o medio poroso, de cristales dendríticos; el otro, que llamaremos 'modo de capa límite' está asociado con una delgada capa límite composicional en el fundido justo por encima de la interfaz pasto-líquido. Cualquiera de los modos puede ser el primero en volverse inestable dependiendo de las propiedades termodinámicas y físicas de la aleación. Las funciones propias marginalmente estables sugieren que el modo de capa límite resulta en una convección a pequeña escala en el fundido por encima de la capa pastosa y deja el fluido intersticial de la capa pastosa virtualmente estancado. En contraste, el modo de capa pastosa causa perturbaciones en la fracción sólida de la capa pastosa que son indicativas de una tendencia a formar chimeneas, que son canales verticales de fracción sólida reducida o cero que han sido observados experimentalmente. Se presta especial atención al modo de capa pastosa y su dependencia de las propiedades termodinámicas de la aleación. Los resultados de este análisis se utilizan para hacer varias interpretaciones de estudios experimentales anteriores, como las observaciones de que algunos sistemas son menos propensos a formar chimeneas y que las regiones de fundido en estos sistemas evolucionan a condiciones sobresaturadas, mientras que el fundido evoluciona a condiciones no saturadas una vez que se han formado las chimeneas. Además, se encuentra un buen acuerdo cuantitativo entre los resultados del análisis de estabilidad lineal y los resultados experimentales de Tait & Jaupart (1992) para el inicio del modo de convección de la capa pastosa.