The main purpose of this paper is to investigate both the columnar to equiaxed transition and primary dendritic arm spacings of Al-3wt.%Si alloy during the horizontal directional solidification. The transient heat transfer coefficient at the metal-mold interface is calculated based on comparisons between the experimental thermal profiles in castings and the simulations provided by a finite difference heat flow program. Simulated curve of the interfacial heat transfer coefficient was used in another numerical solidification model to determine theoretical values of tip growth rates, cooling rates and thermal gradients that are associated with both columnar to equiaxed transition and primary dendritic arm spacings. A good agreement was observed between the experimental values of these thermal variables and those numerically simulated for the alloy examined. A comparative analysis is carried out between the experimental data of this work and theoretical models from the literature that have been proposed to predict the primary dendritic spacings. In this context, this study may contribute to the understanding of how to manage solidification operational parameters aiming at designing the microstructure of Al-Si alloys.

Experiments were conducted to investigate the influence of thermal parameters on the columnar to equiaxed transition during the horizontal unsteady-state directional solidification of Al-Si alloys. The parameters analyzed include the heat transfer coefficients, growth rates, cooling rates, temperature gradients and composition. A combined theoretical and experimental approach is developed to determine the solidification thermal variables considered. The increasing solute content in Al-Si alloys was not found to affect significantly the experimental position of the CET which occurred for cooling rates in the range between 0.35 and 0.64 K/s for any of three alloy compositions examined. A comparative analysis between the results of this work and those from the literature proposed to analyze the CET during upward vertical solidification of Al-Si alloys is reported and the results have shown that the end of the columnar region during horizontal directional solidification is abbreviated as a result of about six times higher thermal gradient than that verified during upward unidirectional solidification of alloys investigated.

The main purpose of this work is to investigate the influence of thermal parameters such as growth rate (V L) and cooling rate (T R) on the primary dendrite arm spacings (λ1) during the horizontal transient directional solidification of Al-7wt.%Si hypoeutectic alloy. The primary dendrite spacings were measured along the length of the samples and correlated with these thermal parameters. The variation of dendrite spacings is expressed as a power law function of V L and T R given by the formulas λ1 = 55(V L)-1.1 and λ1 = 212 (T R)-0.55, respectively. A comparative study between the results of this work and those from the literature proposed to investigate these dendrite spacings during the upward and downward vertical directional solidification of Al-7wt.%Si alloy is also conducted. Finally, the experimental data are compared with some predictive dendritic models from the literature.

RESUMOEste trabalho desenvolve um estudo teórico-experimental sobre a correlação entre parâmetros térmicos e os espaçamentos dendríticos primários da liga Sn-5%Pb solidificada direcionalmente em um sistema horizontal sob condições transientes de extração de calor. Os perfis de temperatura foram medidos em diferentes posições do lingote e os dados obtidos foram armazenados automaticamente. São apresentados resultados para o coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde o qual foi calculado a partir de uma análise comparativa entre os perfis térmicos experimentais e valores teóricos fornecidos por um modelo numérico. Um método teórico-experimental é aplicado para determinar as velocidades de deslocamento da isoterma liquidus e as taxas de resfriamento. Os resultados teóricos e experimentais levantados apresentaram boa concordância. Um estudo comparativo é realizado entre os dados encontrados neste trabalho e aqueles apresentados na literatura para os espaçamentos dendríticos primários da liga investigada quando solidificada direcionalmente nos sistemas verticais ascendente e descendente, sob as mesmas condições assumidas neste trabalho. A análise das microestruturas indica que os espaçamentos dendríticos primários são bastante influenciados pelos parâmetros térmicos de solidificação.Palavras-chave: solidificação horizontal, espaçamento dendrítico primário, ligas Sn-Pb. ABSTRACTIn order to investigate the effect of thermal parameters on the primary dendritic spacings of Sn-5%Pb alloy, horizontal directional solidification experiments have been carried out under unsteady state heat flow conditions. Thermocouples have been connected with the metal, and the time-temperature data have been recorded automatically. The results include metal/mold heat transfer coefficient determined from comparisons between the experimental thermal profiles and simulations provided by a numerical model. A combined theoretical and experimental approach is developed to determine the solidification thermal parameters: tip growth rates, and cooling rates. The experimental and calculated values have shown a good agreement. A comparative study between experimental data of this work and those from the literature proposed to predict the primary spacings during upward and downward vertical unsteady-state directional solidification of Sn-Pb alloys is presented. The observation of the microstructures has indicated that the primary dendritic spacings have been affected by the direction of growth, increasing in conditions of horizontal solidification when compared with those obtained during vertical solidification.

RESUMODiversas aplicações industriais, tais como nos setores automotivo e aeronáutico, que necessitam de resistência e tenacidade, utilizam ligas do sistema Al-Cu. As ligas do sistema ternário Al-Cu-Ag são empregadas como modelo para o estudo de ligas eutéticas ternárias, além do uso em certo número de aplicações técnicas. Estudos relacionados aos efeitos da adição de Ag em ligas do sistema Al-Cu solidificadas em regime transitório, sob aspectos microestruturais e de microdureza, não são encontrados na literatura. Nesse sentido, o objetivo principal deste trabalho consiste na investigação dos efeitos da adição de 4%Ag na liga Al-4%Cu solidificada unidirecionalmente no sentido vertical ascendente em regime transitório, abordando análises de microestrutura, microdureza e parâmetros de solidificação dados pela velocidade de crescimento (V L ) e pela taxa de resfriamento (Ṫ). São apresentadas leis experimentais para as ligas Al-4%Cu e Al-4%Cu-4%Ag que correlacionam os espaçamentos dendríticos primário (λ 1 ) e secundário (λ 2 ) com V L e Ṫ. Foram realizadas análises de Difração de Raios-X (DRX) para a caraterização das fases cristalinas dos compostos presentes na microestrutura das ligas. O difratograma da liga binária mostrou a presença dos intermetálicos θ-Al 2 Cu, Al-Cu, Al 4 Cu 9 e Al 6 Fe e, para o caso da liga ternária, adicionalmente foi detectado o intermetálico µ-Ag 3 Al. Composições químicas de regiões do contorno da dendrita, assim como de seu interior, foram obtidas com o auxílio de um microscópio eletrônico de varredura (MEV) acoplado a um sistema de análise por energia dispersiva (EDS). Diversas posições ao longo do lingote foram analisadas através da técnica de Fluorescência de Raios-X (FRX) com objetivo de se detectar a existência de macrossegregação. Constatou-se que a microdureza não é influenciada pelas duas formas de espaçamentos da matriz rica em Al. Os intermetálicos ρ-Ag 2 Al e µ-Ag 3 Al são responsáveis pelo aumento de dureza devido a sua interação com o espaçamento dendrítico terciário e outros intermetálicos.Palavras-chave: solidificação, ligas de alumínio, microestrutura, microdureza, adição de prata. ABSTRACTAl-Cu alloys are used in several industrial applications, such as automotive and aerospace manufacturing, which demand mechanical strength and toughness performances. The Al-Cu-Ag ternary alloy system has been investigated to obtain a better understanding on ternary eutectic alloys besides its inherent applications. However, studies concerning the effects on microstructure and hardness due to Ag addition on Al-Cu alloys solidified under transient conditions, are not found in literature. In this sense, the main objective of this work consists in investigating the solidification parameters such as growth (V L ) and cooling (Ṫ) rate, microstructure and microhardness regarding the effects of adding 4wt% Ag on a Al-4wt%Cu alloy