I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory hanno sviluppato e testato con successo un nuovo processo - chiamato Friction Stir Dovetailing - che unisce spesse lastre di alluminio all'acciaio. Il nuovo processo sarà utilizzato per realizzare veicoli militari più leggeri, più agili ed efficienti nei consumi.

Il numero del 15 aprile di Scripta Materialia descrive in dettaglio il processo e il collaudo dei giunti realizzati con la nuova tecnica. La rivista peer-reviewed copre ricerche originali sulla relazione tra la struttura e le proprietà dei materiali.

Alleggerire il serbatoio

Secondo il Government Accountability Office degli Stati Uniti, i militari spendono diversi miliardi di dollari ogni anno per il consumo di carburante, che potrebbe essere ridotto diminuendo il peso delle navi, aereo, veicoli terrestri, e carico.

Per ridurre i costi del carburante e aumentare l'efficacia operativa pur mantenendo la sicurezza del personale militare, l'US Army Tank Automotive Research Development and Engineering Center - o TARDEC - ha lanciato una campagna nel 2014 alla ricerca di modi per realizzare sistemi di combattimento - come carri armati, veicoli da combattimento, e mezzi di trasporto del personale - più leggeri. Un approccio che stanno studiando è la sostituzione di componenti in acciaio pesante con componenti più spessi, ancora più leggero, alluminio. Ma alluminio e acciaio non possono essere saldati insieme a causa di punti di fusione molto diversi, così hanno cercato un nuovo processo per unire questi materiali.

TARDEC ha unito le forze con PNNL, che in precedenza aveva sviluppato tecniche di giunzione dei materiali uniche per l'industria automobilistica, per sviluppare Friction Stir Dovetailing. Queste tecniche precedenti includevano la saldatura ad attrito per unire metalli simili di diverso spessore, e Friction Stir Scribe, che unisce sottili fogli di materiali notevolmente diversi, come alluminio e acciaio.

Mentre Friction Stir Scribe ha risolto la sfida di unire sottili fogli di alluminio con acciaio, si è scoperto che questa tecnica non si adattava alle spesse lastre di alluminio - misurate in pollici - necessarie per i veicoli militari robusti.

Una tecnica che si sposa bene con l'alluminio e l'acciaio

Nella lavorazione del legno, code di rondine e colla vengono utilizzati per unire saldamente insieme pezzi di legno. Friction Stir La coda di rondine è un approccio simile per i metalli. Utilizzando uno strumento appositamente progettato, l'alluminio viene deformato in una scanalatura a coda di rondine in acciaio per formare un incastro meccanico. Allo stesso tempo, lo strumento sfrega lungo il fondo della coda di rondine per formare un sottile legame metallurgico - o composto intermetallico - che "incolla" i metalli insieme all'interno della coda di rondine.

"La combinazione di incastro meccanico e legame metallurgico formato durante un singolo processo è l'innovazione che produce giunti di resistenza e duttilità superiori rispetto ai giunti creati con altri metodi di agitazione per attrito, " ha affermato l'ingegnere della PNNL Scott Whalen, chi conduce la ricerca.

Il team di ricerca ha scoperto che l'utilizzo di controlli macchina complessi per regolare con precisione la temperatura e la pressione all'interfaccia alluminio-acciaio ha inibito la crescita dei composti intermetallici. Questi composti crescono densi e non uniformemente durante le altre tecniche di agitazione per attrito, causando fragilità articolare e cedimento. Però, crescita di composti intermetallici - alluminuro di ferro o Fe3Al - durante la tecnica Friction Stir a coda di rondine è vantaggiosa per il giunto perché sono così sottili, mille volte più sottile di un capello umano, che funge da "collante" senza provocare infragilimento.

"I composti intermetallici si formeranno tra alluminio e acciaio durante tutte le tecniche di agitazione per attrito come parte del processo di riscaldamento, " ha detto Whalen. "Abbiamo scoperto che la coda di rondine di attrito inibisce la crescita eccessiva di composti intermetallici perché la temperatura e la pressione sono molto più basse rispetto ad altri approcci di agitazione di attrito".

I test di laboratorio sui giunti realizzati da Friction Stir Dovetailing hanno mostrato che quando si combina il legame metallurgico con la configurazione a coda di rondine, la forza articolare non è solo superiore, ma il materiale può allungarsi fino a oltre mezzo centimetro prima che il giunto si rompa, il che dimostra una duttilità cinque volte maggiore rispetto all'alluminio e all'acciaio uniti con altre tecniche di agitazione per attrito. Ciò consente all'articolazione di "cedere" o spostarsi più lontano prima della rottura, una caratteristica interessante per i veicoli da combattimento militari.

"Siamo costantemente alla ricerca di metodi di giunzione multimateriale innovativi che ci aiutino a selezionare il materiale giusto per lo scopo giusto nella posizione giusta, e Friction Stir Dovetailing ci offre proprio un metodo all'avanguardia, "ha detto Jason Middleton, Direttore associato di TARDEC per l'ingegneria del ciclo di vita del prodotto.

Il team di ricerca ora prevede di perfezionare la tecnica ed espandere il processo per altre configurazioni di giunti. Oltre all'alluminio e all'acciaio, altre combinazioni di materiali come alluminio e rame, alluminio al magnesio, e magnesio all'acciaio possono anche essere uniti usando Friction Stir Dovetailing.

E mentre Friction Stir Dovetailing aiuterà a risolvere la sfida del consumo di carburante per TARDEC, è anche disponibile per la licenza per altre potenziali applicazioni e opportunità di ricerca collaborativa tramite Sara Hunt, responsabile della commercializzazione del PNNL.