Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han desarrollado y probado con éxito un proceso novedoso, llamado Friction Stir Dovetailing, que une placas gruesas de aluminio con acero. El nuevo proceso se utilizará para fabricar vehículos militares más ligeros, más ágiles y eficientes en el consumo de combustible.

El número del 15 de abril de Scripta Materialia describe el proceso en detalle y la prueba de las juntas creadas con la nueva técnica. La revista revisada por pares cubre investigaciones originales sobre la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales.

Aligerando el tanque

Según la Oficina de Responsabilidad del Gobierno de EE. UU., el ejército gasta varios miles de millones de dólares cada año en el consumo de combustible, que podría reducirse disminuyendo el peso de los barcos, aeronave, vehículos terrestres, y carga.

Para reducir los costos de combustible y aumentar la eficacia operativa sin dejar de mantener la seguridad del personal militar, El Centro de Ingeniería y Desarrollo de Investigación Automotriz de Tanques del Ejército de EE. UU., o TARDEC, lanzó una campaña en 2014 para buscar formas de fabricar sistemas de combate, como tanques, vehículos de combate, y vehículos de transporte de personal, más ligeros. Un enfoque que están investigando es el reemplazo de componentes de acero pesados ​​por componentes más gruesos, aún más ligero, aluminio. Pero el aluminio y el acero no se pueden soldar entre sí debido a los puntos de fusión muy diferentes, por lo que buscaron un nuevo proceso para unir estos materiales.

TARDEC unió fuerzas con PNNL, que previamente había desarrollado técnicas únicas de unión de materiales para la industria automotriz, para desarrollar Friction Stir Dovetailing. Estas técnicas anteriores incluían la soldadura por fricción y agitación para unir metales similares de diferente espesor, y Friction Stir Scribe, que une láminas delgadas de materiales significativamente diferentes, como el aluminio y el acero.

Mientras Friction Stir Scribe resolvió el desafío de unir láminas delgadas de aluminio con acero, Se encontró que esa técnica no escala hasta las gruesas placas de aluminio, medidas en pulgadas, necesarias para vehículos militares robustos.

Una técnica que encaja a la perfección con el aluminio y el acero.

En carpintería, Se utilizan colas de milano y pegamento para unir de forma segura piezas de madera. Friction Stir Dovetailing es un enfoque similar para los metales. Usando una herramienta especialmente diseñada, el aluminio se deforma en una ranura de cola de milano de acero para formar un enclavamiento mecánico. Al mismo tiempo, la herramienta se frota a lo largo de la parte inferior de la cola de milano para formar una fina unión metalúrgica, o compuesto intermetálico, que "pega" los metales dentro de la cola de milano.

"La combinación de enclavamiento mecánico y unión metalúrgica formada durante un solo proceso es la innovación que produce juntas de resistencia y ductilidad superiores en comparación con las juntas creadas por los otros métodos de agitación por fricción, "dijo el ingeniero de PNNL Scott Whalen, quien lidera la investigación.

El equipo de investigación descubrió que el uso de controles de máquina complejos para regular con precisión la temperatura y la presión en la interfaz aluminio-acero inhibía el crecimiento de compuestos intermetálicos. Estos compuestos crecen espesos y no uniformemente durante las otras técnicas de agitación por fricción, causando fragilidad y falla de las articulaciones. Sin embargo, El crecimiento de compuestos intermetálicos (aluminuro de hierro o Fe3Al) durante la técnica Friction Stir Dovetailing es beneficioso para la junta porque son muy delgados, mil veces más delgado que un cabello humano, que actúa como "pegamento" sin causar fragilidad.

"Los compuestos intermetálicos se formarán entre el aluminio y el acero durante todas las técnicas de agitación por fricción como parte del proceso de calentamiento, ", dijo Whalen." Descubrimos que Friction Stir Dovetailing inhibe el crecimiento excesivo de compuestos intermetálicos porque la temperatura y la presión son mucho más bajas que otros enfoques de fricción y agitación ".

Las pruebas de laboratorio de juntas hechas por Friction Stir Dovetailing mostraron que cuando se combina la unión metalúrgica con la configuración de cola de milano, la fuerza articular no solo es superior, pero el material puede estirarse hasta más de medio centímetro antes de que se rompa la junta, lo que ilustra cinco veces más ductilidad que el aluminio y el acero unidos con otras técnicas de agitación por fricción. Esto permite que la articulación "ceda" o se mueva más lejos antes de romperse, una característica atractiva para los vehículos militares de combate.

"Buscamos constantemente métodos innovadores de unión de múltiples materiales que nos ayuden a seleccionar el material correcto para el propósito correcto en la ubicación correcta, y Friction Stir Dovetailing nos ofrece precisamente un método tan avanzado, "dijo Jason Middleton, Director asociado de TARDEC para Ingeniería del ciclo de vida del producto.

El equipo de investigación ahora planea refinar la técnica y expandir el proceso para otras configuraciones de juntas. Además de aluminio y acero, otras combinaciones de materiales como aluminio a cobre, aluminio a magnesio, y el magnesio al acero también se pueden unir usando Friction Stir Dovetailing.

Y aunque Friction Stir Dovetailing ayudará a resolver el desafío del consumo de combustible para TARDEC, también está disponible para obtener licencias para otras aplicaciones potenciales, así como oportunidades de investigación colaborativa a través de la gerente de comercialización de PNNL, Sara Hunt.