Un processo di produzione avanzato per produrre barre e tubi nanostrutturati direttamente da polvere di lega di alluminio ad alte prestazioni, in un unico passaggio, è stato recentemente dimostrato dai ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory.

Utilizzando un nuovo approccio di elaborazione in fase solida, il team di ricerca ha eliminato diversi passaggi necessari durante il processo di estrusione convenzionale di polveri di leghe di alluminio, ottenendo anche un significativo aumento della duttilità del prodotto (quanto può allungarsi un materiale prima di rompersi).

Questa è una buona notizia per settori come l'industria automobilistica, dove l'alto costo di produzione ha storicamente limitato l'uso di leghe di alluminio ad alta resistenza ottenute da polveri.

La ricerca del team è descritta nel documento "Lega di alluminio ad alta duttilità prodotta da polvere per estrusione per attrito, " pubblicato nel numero di giugno 2019 di Materialia .

Allontanarsi dall'estrusione convenzionale

Le leghe di alluminio ad alte prestazioni realizzate in polvere sono state a lungo utilizzate in componenti leggeri per applicazioni aerospaziali specializzate, dove il costo non è un fattore limitante. Però, queste leghe sono state tipicamente troppo costose per l'industria automobilistica.

Un tipico processo di estrusione per le polveri di leghe di alluminio è ad alta intensità di energia e di processo, che richiedono più passaggi per produrre in serie il materiale. Primo, la polvere sfusa deve essere caricata in un barattolo e i gas rimossi usando un vuoto, che si chiama "degasaggio". La lattina viene quindi sigillata, pressato a caldo, preriscaldato, e inserito nella pressa di estrusione. Dopo l'estrusione, la lattina viene rimossa, o "decapato, " per rivelare la parte estrusa costituita da polvere consolidata.

In questo studio, il team ha eliminato molti di questi passaggi, estrusione di barre di alluminio nanostrutturato direttamente dalla polvere in un unico passaggio, utilizzando la tecnologia Shear Assisted Processing ed Extrusion di PNNL, o FORMA.

Estrusione di leghe di alluminio direttamente dall'inscatolamento di elimi in polvere, degasaggio, pressatura isostatica a caldo, de-conservare, e preriscaldamento billette

Nel processo SHAPE, una polvere, in questo caso una polvere di lega di alluminio Al-12.4TM fornita da SCM Metal Products, Inc., una divisione di Kymera International, viene versato in un contenitore aperto. Una filiera di estrusione rotante viene quindi forzata nella polvere, che genera calore all'interfaccia tra la polvere e lo stampo. Il materiale si ammorbidisce e si estrude facilmente, eliminando la necessità di inscatolamento, degasaggio, pressatura a caldo, preriscaldamento, e decantazione.

"Questa è la prima istanza pubblicata di una polvere di lega di alluminio che viene consolidata in estrusioni nano strutturate utilizzando un processo a fase singola come ShAPE, " ha detto lo scienziato dei materiali PNNL Scott Whalen, che ha condotto lo studio.

Ha aggiunto, "L'eliminazione di entrambe le fasi di lavorazione e della necessità di preriscaldamento potrebbe ridurre drasticamente i tempi di produzione e ridurre i costi e l'energia complessiva incorporata all'interno del prodotto, che potrebbe essere vantaggioso per i produttori di automobili che desiderano rendere i veicoli passeggeri più convenienti, accendino, ed efficiente dal punto di vista del consumo di carburante per il consumatore."

Oltre a fornire la polvere di Al-12.4TM, Prodotti in metallo SCM, Inc. ha eseguito test meccanici per convalidare le prestazioni del materiale risultante. PNNL e SCM Metal Products, Inc. sta ora collaborando a un progetto per l'Office of Technology Transitions del DOE per aumentare il processo per estrusioni di diametro maggiore.

Duttilità:è un allungamento

L'eliminazione delle fasi di lavorazione e la riduzione del riscaldamento non sono stati gli unici risultati positivi del team.

Mentre le leghe di alluminio ad alte prestazioni hanno storicamente mostrato un'eccellente resistenza, sono stati tipicamente ostacolati dalla scarsa duttilità. Però, il team ha riscontrato notevoli miglioramenti nella duttilità dell'estrusione prodotta da ShAPE, misurare la duttilità da due a tre volte quella riscontrata nei prodotti di estrusione convenzionali, e con forza equivalente.

Per comprendere il motivo del sostanziale aumento della duttilità, La microscopia elettronica a trasmissione è stata utilizzata per valutare le microstrutture della polvere e dei materiali estrusi. I risultati hanno indicato che il metodo ShAPE ha affinato le seconde fasi nella polvere, minuscole particelle rinforzanti di materiali non di alluminio. ShAPE riduce le particelle a dimensioni su scala nanometrica e le distribuisce uniformemente in tutta la matrice di alluminio, duttilità crescente.