Las placas de aluminio industrial se producen típicamente mezclando pequeñas cantidades de cobre o manganeso en un depósito de aluminio fundido que se enfría rápidamente. un proceso conocido como fundición en frío directo. Las variaciones en la forma en que estos elementos se solidifican pueden producir resultados desiguales que debilitan el producto final. con piezas de fundición que a veces terminan en el montón de chatarra. Por lo tanto, controlar la distribución de los elementos de refuerzo en el aluminio a lo largo de una fundición es clave para reducir el desperdicio y mejorar la confiabilidad del producto.

Durante los últimos tres años, El profesor asistente de metalurgia del MIT Antoine Allanore y su alumno Samuel R. Wagstaff PhD '16 desarrollaron un nuevo proceso que utiliza un chorro turbulento para reducir esta distribución desigual en estructuras de aleación de aluminio en un 20 por ciento. Los investigadores pudieron identificar un solo número, el "índice de macrosegregación", que cuantifica la diferencia entre la composición química ideal y la composición química real en puntos específicos del proceso de solidificación.

"Ahora hemos probado la tecnología a lo largo de la cadena de suministro, y confirmamos que la mejora del 20 por ciento en el índice de macrosegregación fue lo suficientemente buena como para permitir un mayor aumento de la productividad, "Dice Allanore.

Los resultados experimentales de Wagstaff y Allanore y las explicaciones teóricas sobre el procesamiento de aluminio en frío directo se publican en un par de artículos en la revista Metallurgical and Transacciones de materiales B, con una tercera publicación pendiente. El trabajo se realizó en colaboración con el procesador global de aluminio Novelis, con todos los experimentos que tienen lugar en el Centro de Tecnología Novelis Solatens en Spokane, Washington; se han patentado algunos aspectos de la investigación.

Lucha contra estructuras desequilibradas

La macrosegregación es la distribución desigual de los elementos de aleación dentro de una pieza de aluminio solidificado, creando por ejemplo, regiones pobres en cobre. Es más probable que esto ocurra en el centro de un yeso, donde permanece oculta hasta que la pieza se vuelve a procesar para otro uso, como enrollar una losa gruesa en una hoja plana. Estas estructuras desequilibradas pueden formarse en una escala desde varias fracciones de pulgada hasta varias yardas y pueden provocar grietas, cizallamiento u otra falla mecánica del material.

Este problema es particularmente importante a medida que la industria avanza hacia programas de producción más rápidos y tiradas de chapa más grandes, por ejemplo, repuestos para camionetas y alas de avión. Un mayor énfasis en el reciclaje de aluminio también plantea problemas en los que la composición de los elementos secundarios puede ser impredecible.

"Analizando la estructura, y en particular la presencia de granos sólidos, que se forma cuando la aleación de aluminio pasa de líquido a sólido es difícil porque no se puede ver a través del aluminio, y el material se enfría rápidamente desde 700 grados Celsius (1, 292 grados Fahrenheit), y granos de diferentes tamaños se mueven a medida que el aluminio se solidifica a una velocidad de aproximadamente 2 a 3 pulgadas por minuto, Dice Allanore. El problema suele ser la falta del elemento de aleación cerca del centro de la losa o lingote de solidificación.

"Es una situación muy perversa en el sentido de que desde el exterior la losa maciza podría verse muy bien, listo para pasar al siguiente tratamiento, y solo más tarde descubre que había este defecto en una sección, o en un área, lo que básicamente significa una gran pérdida de productividad para toda la cadena de suministro, "Explica Allanore.

Haciendo aleaciones uniformes

"En nuestros experimentos, hicimos algunas pruebas específicas a gran escala para apagar, de modo que, básicamente, para tomar muestras del metal fundido a medida que se moldea, y hemos visto granos entre 10 micrones y 50 micrones, y esos granos son, según nuestro desarrollo, los responsables de la macrosegregación, "Dice Allanore. Su solución es insertar una corriente en chorro para recircular el líquido caliente para que esos granos se redistribuyan uniformemente en lugar de acumularse en una región del lingote". Es como una manguera de agua en una piscina, ", explica." Desde una perspectiva puramente de mecánica de fluidos, la mezcla es homogénea. Es solo un completo mezcla completa de los elementos de aleación y aluminio ".

"La introducción del chorro indujo una recirculación completamente diferente de los granos y, por lo tanto, se obtiene una microestructura diferente, a lo largo de la sección. No está solo en los bordes o no solo en el centro, realmente abarca toda la sección, ", Dice Allanore. Los investigadores pudieron calcular la potencia de chorro óptima necesaria para las aleaciones de aluminio más comunes, y luego probó sus predicciones.

"El trabajo del profesor Allanore es un excelente ejemplo de aplicación de la teoría de la solidificación a la solución de un problema industrial del mundo real, "dice Merton C. Flemings, el profesor emérito de Toyota de procesamiento de materiales en el MIT.

Empapado de trabajo en metal

Sam Wagstaff, autor principal de los tres artículos con Allanore, terminó su doctorado en el MIT en septiembre después de solo tres años y ahora trabaja para Novelis en Sierre, Suiza. "La razón por la que este proyecto tiene éxito es:por supuesto, gracias a Sam Wagstaff, "Dice Allanore." Ha sido un estudiante de posgrado increíble ". Wagstaff, 27, es bisnieto de George Wagstaff, y nieto de William Wagstaff, cuyo Spokane, Lavar., El taller de maquinaria del área se convirtió en Wagstaff Inc., que se especializa en los enfriadores utilizados para producir aleaciones sólidas de aluminio a partir de líquido fundido (pero que no participó en esta investigación). El padre de Sam Wagstaff, Robert, trabaja para Novelis, y el propio Sam trabajó por primera vez para Novelis a los 14 años. Después de obtener su licenciatura en ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de Cornell, Novelis le ofreció a Wagstaff la oportunidad de realizar un doctorado para ayudar a la empresa a resolver el problema de la macrosegregación mediante el desarrollo de un método para remover aluminio.

"Estar en un entorno [en el que Novelis está] bien con que tome el proyecto y, al mismo tiempo, el MIT me permita llevarlo a donde yo sienta que debe ir, terminó siendo una experiencia increíble, ", Dice Wagstaff." No conozco muchas otras empresas o lugares que me hubieran permitido crecer tanto como lo hice, y por eso estoy muy agradecido, "Dice Wagstaff.

"El problema que tiene con las placas de grado aeronáutico o aeroespacial es que tiene regiones de macrogregación muy importantes en el centro de esa placa, por lo que tiene caídas drásticas en las propiedades mecánicas en el mismo centro, ", Dice Wagstaff." Nuestra investigación comenzó con la idea de que queremos poder detener la macrosegregación, ", Dice Wagstaff. En lugar de estudiar muchas formas diferentes de remover el aluminio, Wagstaff dice que él y Allanore propusieron desarrollar un criterio de mezcla como los que se usan en ingeniería química. Debido a que los peores problemas ocurrían en el centro de los lingotes, con hasta un 20 por ciento de variación en la composición allí, que se convirtió en el foco de la investigación, él dice.

"Sabíamos que podíamos encontrar la manera de mezclar las cosas y que podíamos revolver las cosas, pero poder comparar A con B con C hubiera sido realmente difícil, y de ahí es de donde vino el índice de macrosegregación. Eso es solo un esquema numérico que inventamos para comparar la mezcla de tipo A con la mezcla de tipo B y la mezcla de tipo C, Entonces, de alguna manera, podemos relacionar todos los diferentes parámetros de mezcla para decir que este tipo de mezcla es mejor, ", dice. El índice castiga los lingotes en función de su desviación de la composición deseada en función de su distancia del centro y un número de índice más bajo representa una calidad superior".

La solución fue diseñar un chorro que funcionara con las máquinas de colada de enfriamiento directo existentes. "Todo lo que hicimos fue cambiar la potencia del chorro en función del diámetro usando una bomba magnética para controlar la velocidad, potencia y velocidad de ese chorro a lo largo de la fundición, ", Dice Wagstaff." Lo mejor de los jets es que están bastante bien definidos, entendemos cómo se expanden, cómo se distribuyen sus fuerzas en función del tiempo, en función del espacio, por lo que son un fenómeno relativamente fácil de estudiar. Terminamos acoplando imanes con el chorro y construimos una bomba magnética sin contacto para generar nuestro chorro ".

Optimización de la potencia del jet

El equipo desarrolló fórmulas para calcular qué tan rápido y qué tan fuerte debe ser la potencia del chorro para evitar la acumulación de defectos en el centro para un conjunto dado de elementos de aleación y dimensiones del molde. Si bien los documentos informan una mejora del 20 por ciento, Wagstaff dice con la optimización de la bomba de chorro, es posible una mejora de hasta el 60 por ciento.

Las pequeñas variaciones en los granos individuales [microsegregación] a veces se pueden curar recalentando la fundición de aluminio, pero cuando ocurre una distribución desigual a gran escala con una línea central débil, no es práctico porque el cobre u otro elemento de aleación tardaría demasiado en migrar a través del material.

Carolyn M. Joseph, estudiante de posgrado en ciencias de los materiales, del grupo de Allanore, está estudiando cómo estos granos que causan la macrosegregación se forman en una aleación de aluminio que tiene un 4,5 por ciento de cobre en peso. Usando la nueva técnica de agitación por chorro, toma muestras durante la fundición cerca de la región de dos fases (lechada), en el que los granos de metal sólido circulan en el aluminio líquido. Ella hace esto enfriando rápidamente el metal en varios lugares a lo largo del lingote mientras se está formando, y ella estudia las muestras bajo un microscopio en busca de diferencias en el tamaño de grano, forma, composición y distribución. "El tamaño de su estructura sólida, qué fino o tosco es, depende de la velocidad a la que lo enfríes, "Joseph explica. Las imágenes microscópicas que tomó de muestras que muestran grandes estructuras de granos son evidencia de que esos granos eran sólidos en la lechada antes de que se enfriara rápidamente, ella dice.

"En el líquido, están mezclados, el cobre y el aluminio forman una solución, pero cuando pasas de líquido a sólido, hay segregación de los elementos de aleación, —Dice Joseph. Los granos que se forman temprano se agotan en cobre y tienden a agruparse en el centro de una losa.

"La ventaja de esto es que es un tipo de instantánea intermedia. En lugar de mirar la sección transversal final y estudiar su tamaño de grano y composición, lo podemos ver en una etapa intermedia, si bien es una mezcla semisólida, Qué pasa, "explica Joseph, que está trabajando para obtener una maestría en ciencia de materiales. "En la macroescala, quieres una distribución uniforme del cobre, y eso es lo que la mezcla de Sam ha podido lograr, " ella dice.

Papel en el reciclaje

Allanore cree que el proceso de aluminio agitado a chorro también puede desempeñar un papel en el reciclaje. "No todos los productos reciclados de aluminio son iguales, porque algunos de ellos provienen de un avión anterior y algunos de una lata de bebida anterior, y estas son dos aleaciones diferentes, ", dice." Entonces, cuando se trata de que la sociedad pueda reciclar y fabricar nuevos productos de aluminio de alta calidad, podemos ver claramente que existe una cuestión de cómo vamos a tratar con esos elementos de aleación. El trabajo que hemos hecho Yo creo, es un ejemplo de cómo podemos modificar las tecnologías existentes para que estén más preparadas para tener más material reciclado sin comprometer al final la calidad del producto que está fabricando ".

"Haciendo la cantidad adecuada de trabajo teórico y experimental y trabajando en colaboración, de la mano de la industria, podemos encontrar este tipo de soluciones que permiten una mayor productividad, más materiales reciclados, lo que significa menos energía y menos impacto ambiental, algo muy emocionante "Dice Allanore.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.