Onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory hebben een nieuw proces ontwikkeld en met succes getest - genaamd Friction Stir Dovetailing - dat dikke platen aluminium met staal verbindt. Het nieuwe proces zal worden gebruikt om lichtere militaire voertuigen te maken die wendbaarder en zuiniger zijn.

Het nummer van 15 april van Scripta Materialia beschrijft het proces in detail en het testen van verbindingen die zijn gemaakt met behulp van de nieuwe techniek. Het peer-reviewed tijdschrift behandelt origineel onderzoek naar de relatie tussen de structuur en eigenschappen van materialen.

De tank lichter maken

Volgens het Amerikaanse Government Accountability Office, het leger besteedt jaarlijks enkele miljarden dollars aan brandstofverbruik, die kunnen worden verminderd door het gewicht van schepen te verminderen, vliegtuigen, grondvoertuigen, en lading.

Om de brandstofkosten te verlagen en de operationele effectiviteit te vergroten, terwijl de veiligheid van militairen behouden blijft, het Amerikaanse leger Tank Automotive Research Development and Engineering Center - of TARDEC - lanceerde in 2014 een campagne op zoek naar manieren om gevechtssystemen te maken - zoals tanks, gevechtsvoertuigen, en personeelsdragers - lichter. Een benadering die ze onderzoeken is de vervanging van zware stalen onderdelen door dikkere, toch lichter, aluminium. Maar aluminium en staal kunnen niet aan elkaar worden gelast vanwege de enorm verschillende smeltpunten, dus zochten ze een nieuw proces om deze materialen samen te voegen.

TARDEC bundelde de krachten met PNNL - dat eerder unieke materiaalverbindingstechnieken voor de auto-industrie had ontwikkeld - om Friction Stir Dovetailing te ontwikkelen. Deze eerdere technieken omvatten wrijvingsroerlassen om vergelijkbare metalen met verschillende diktes te verbinden, en Friction Stir Scribe, die dunne platen van aanzienlijk verschillende materialen verbindt, zoals aluminium en staal.

Terwijl Friction Stir Scribe de uitdaging oploste om dunne platen aluminium met staal te verbinden, die techniek bleek niet op te schalen naar de dikke platen aluminium - gemeten in inches - die nodig zijn voor robuuste militaire voertuigen.

Een techniek die mooi aansluit bij aluminium en staal

Bij houtbewerking, zwaluwstaarten en lijm worden gebruikt om stukken hout stevig met elkaar te verbinden. Friction Stir Dovetailing is een vergelijkbare benadering voor metalen. Met behulp van een speciaal ontworpen tool, aluminium wordt vervormd tot een stalen zwaluwstaartgroef om een ​​mechanische vergrendeling te vormen. Tegelijkertijd, het gereedschap wrijft langs de onderkant van de zwaluwstaart om een ​​dunne metallurgische binding - of intermetallische verbinding - te vormen die de metalen binnen de zwaluwstaart aan elkaar "lijmt".

"De combinatie van mechanische vergrendeling en metallurgische binding die tijdens een enkel proces wordt gevormd, is de innovatie die verbindingen produceert met een superieure sterkte en ductiliteit in vergelijking met verbindingen die worden gecreëerd door de andere wrijvingsroermethoden, " zei PNNL-ingenieur Scott Whalen, wie het onderzoek leidt.

Het onderzoeksteam ontdekte dat het gebruik van complexe machinebesturingen om de temperatuur en druk op het aluminium-staal-interface nauwkeurig te regelen, de groei van intermetallische verbindingen remde. Deze verbindingen worden dik en niet-uniform tijdens de andere wrijvingsroertechnieken, veroorzaakt breekbaarheid en falen van de gewrichten. Echter, groei van intermetallische verbindingen - ijzeraluminide of Fe3Al - tijdens de Friction Stir Dovetailing-techniek is gunstig voor het gewricht omdat ze zo dun zijn, duizend keer dunner dan een mensenhaar, die als "lijm" fungeert zonder brosheid te veroorzaken.

"Er zullen zich intermetallische verbindingen vormen tussen aluminium en staal tijdens alle wrijvingsroertechnieken als onderdeel van het verwarmingsproces, " zei Whalen. "We ontdekten dat Friction Stir Dovetailing overgroei van intermetallische verbindingen remt omdat temperatuur en druk veel lager zijn dan bij andere benaderingen van wrijvingsroer."

Laboratoriumtests van verbindingen gemaakt door Friction Stir Dovetailing toonden aan dat bij het combineren van metallurgische binding met de zwaluwstaartconfiguratie, de gezamenlijke sterkte is niet alleen superieur, maar het materiaal kan tot meer dan een halve centimeter uitrekken voordat de verbinding breekt - wat vijf keer meer ductiliteit illustreert dan aluminium en staal verbonden met andere wrijvingsroertechnieken. Hierdoor kan het gewricht "geven" of verder bewegen voordat het breekt - een aantrekkelijke eigenschap voor militaire gevechtsvoertuigen.

"We zijn voortdurend op zoek naar innovatieve verbindingsmethoden voor meerdere materialen om ons te helpen het juiste materiaal voor het juiste doel op de juiste locatie te selecteren, en Friction Stir Dovetailing biedt ons precies zo'n state-of-the-art methode, " zei Jason Middleton, TARDEC associate director voor Product Lifecycle Engineering.

Het onderzoeksteam is nu van plan om de techniek te verfijnen en het proces uit te breiden voor andere gezamenlijke configuraties. Naast aluminium en staal, andere materiaalcombinaties zoals aluminium tot koper, aluminium naar magnesium, en magnesium aan staal kan ook worden verbonden met behulp van Friction Stir Dovetailing.

En terwijl Friction Stir Dovetailing de brandstofverbruikuitdaging voor TARDEC zal helpen oplossen, het is ook beschikbaar voor licenties voor andere potentiële toepassingen en voor gezamenlijke onderzoeksmogelijkheden via PNNL-commercialiseringsmanager Sara Hunt.