Investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico demostraron recientemente un proceso de fabricación avanzado para producir varillas y tubos nanoestructurados directamente a partir de polvo de aleación de aluminio de alto rendimiento, en un solo paso.

Utilizando un enfoque novedoso de procesamiento en fase sólida, el equipo de investigación eliminó varios pasos que se requieren durante el proceso de extrusión convencional de polvos de aleación de aluminio, al mismo tiempo que se logra un aumento significativo en la ductilidad del producto (cuánto puede estirarse un material antes de romperse).

Esta es una buena noticia para sectores como la automoción, donde el alto costo de fabricación ha limitado históricamente el uso de aleaciones de aluminio de alta resistencia a partir de polvos.

La investigación del equipo se describe en el artículo "Aleación de aluminio de alta ductilidad hecha de polvo por extrusión por fricción, "publicado en la edición de junio de 2019 de Materialia .

Alejándose de la extrusión convencional

Las aleaciones de aluminio de alto rendimiento hechas de polvo se han utilizado durante mucho tiempo en componentes livianos para aplicaciones aeroespaciales especializadas. donde el costo no es un factor limitante. Sin embargo, estas aleaciones han sido típicamente demasiado caras para la industria del automóvil.

Un proceso de extrusión típico para polvos de aleación de aluminio es un proceso intensivo en energía y requiriendo múltiples pasos para producir el material en masa. Primero, el polvo suelto debe cargarse en una lata y los gases deben eliminarse con una aspiradora, que se llama "desgasificación". Luego se sella la lata, prensado en caliente, precalentado, y se coloca en la prensa de extrusión. Después de la extrusión, se quita la lata, o "decanados, "para revelar la parte extruida hecha de polvo consolidado.

En este estudio, el equipo eliminó muchos de estos pasos, extruir varillas de aluminio nanoestructurado directamente del polvo en un solo paso, utilizando la tecnología de extrusión y procesamiento asistido por cizallamiento de PNNL, o SHAPE.

La extrusión de aleaciones de aluminio directamente del polvo elimina el enlatado, desgasificación, prensado isostático en caliente, desenlatado, y precalentamiento de palanquilla

En el proceso ShAPE, un polvo, en este caso, un polvo de aleación de aluminio Al-12.4TM proporcionado por SCM Metal Products, C ª., una división de Kymera International — se vierte en un recipiente abierto. A continuación, se fuerza una matriz de extrusión giratoria en el polvo, que genera calor en la interfaz entre el polvo y la matriz. El material se ablanda y se extruye fácilmente, eliminando la necesidad de enlatado, desgasificación prensado en caliente, precalentamiento, y decanizado.

"Esta es la primera instancia publicada de un polvo de aleación de aluminio que se consolida en extrusiones nanoestructuradas utilizando un proceso de un solo paso como ShAPE, "dijo el científico de materiales de PNNL Scott Whalen, quien dirigió el estudio.

Él agregó, "La eliminación tanto de los pasos de procesamiento como de la necesidad de precalentamiento podría reducir drásticamente el tiempo de producción, así como el costo y la energía total incorporada en el producto, lo que podría ser beneficioso para los fabricantes de automóviles que desean que los vehículos de pasajeros sean más asequibles, encendedor, y ahorro de combustible para el consumidor ".

Además de proporcionar el polvo Al-12.4TM, Productos de SCM Metals, Inc. realizó pruebas mecánicas para validar el rendimiento del material resultante. Productos metálicos PNNL y SCM, Inc. ahora está colaborando en un proyecto para que la Oficina de Transiciones Tecnológicas del DOE amplíe el proceso para extrusiones de mayor diámetro.

Ductilidad:es un estiramiento

La eliminación de los pasos de procesamiento y la reducción del calentamiento no fueron los únicos hallazgos exitosos del equipo.

Si bien las aleaciones de aluminio de alto rendimiento históricamente han demostrado una excelente resistencia, por lo general, se han visto obstaculizados por una mala ductilidad. Sin embargo, el equipo encontró mejoras dramáticas en la ductilidad de la extrusión producida por ShAPE, medir la ductilidad que es dos o tres veces mayor que la encontrada en los productos de extrusión convencionales, y con fuerza equivalente.

Para comprender la razón del aumento sustancial de la ductilidad, Se utilizó microscopía electrónica de transmisión para evaluar las microestructuras del polvo y los materiales extruidos. Los resultados indicaron que el método ShAPE refinó las segundas fases en el polvo:diminutas partículas de refuerzo de materiales que no son de aluminio. ShAPE reduce las partículas a tamaños de nanoescala y las distribuye uniformemente por toda la matriz de aluminio, aumento de la ductilidad.