Onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory hebben onlangs een geavanceerd productieproces aangetoond om nanogestructureerde staven en buizen rechtstreeks uit hoogwaardig aluminiumlegeringspoeder te produceren - in één enkele stap.

Met behulp van een nieuwe Solid Phase Processing-aanpak, het onderzoeksteam heeft verschillende stappen geëlimineerd die nodig zijn tijdens conventionele extrusieverwerking van aluminiumlegeringspoeders, terwijl ook een aanzienlijke toename van de ductiliteit van het product wordt bereikt (hoe ver een materiaal kan uitrekken voordat het breekt).

Dit is goed nieuws voor sectoren als de auto-industrie, waar de hoge productiekosten historisch het gebruik van zeer sterke aluminiumlegeringen gemaakt van poeders hebben beperkt.

Het onderzoek van het team wordt beschreven in de paper "High Ductility Aluminium Alloy Made from Powder by Friction Extrusion, " gepubliceerd in het juni 2019 nummer van Materialia .

Afstappen van conventionele extrusie

Hoogwaardige aluminiumlegeringen gemaakt van poeder worden al lang gebruikt in lichtgewicht componenten voor gespecialiseerde ruimtevaarttoepassingen, waar kosten geen beperkende factor zijn. Echter, deze legeringen zijn doorgaans te duur voor de auto-industrie.

Een typisch extrusieproces voor poeders van aluminiumlegeringen is energie- en procesintensief, waarbij meerdere stappen nodig zijn om het materiaal in massa te produceren. Eerst, het losse poeder moet in een blik worden geladen en gassen worden verwijderd met behulp van een vacuüm, wat "ontgassen" wordt genoemd. Het blikje wordt dan verzegeld, heet geperst, voorverwarmd, en in de extrusiepers geplaatst. Na extrusie, het blik wordt verwijderd, of "gedecaneerd, " om het geëxtrudeerde deel van geconsolideerd poeder te onthullen.

In dit onderzoek, het team heeft veel van deze stappen geëlimineerd, het extruderen van nanogestructureerde aluminiumstaven direct uit poeder in een enkele stap, met behulp van PNNL's Shear Assisted Processing and Extrusion-technologie, of SHAPE.

Extrusie van aluminiumlegeringen direct uit poeder elimineert inblikken, ontgassen, hete isostatisch persen, de-conserven, en knuppel voorverwarmen

In het ShAPE-proces, een poeder - in dit geval een Al-12.4TM aluminiumlegeringspoeder geleverd door SCM Metal Products, Inc., een divisie van Kymera International - wordt in een open container gegoten. Een roterende extrusiematrijs wordt vervolgens in het poeder geperst, die warmte genereert op het grensvlak tussen het poeder en de matrijs. Het materiaal wordt zacht en extrudeert gemakkelijk, het elimineren van de noodzaak van inblikken, ontgassen, heet persen, voorverwarmen, en decanning.

"Dit is het eerste gepubliceerde exemplaar van een aluminiumlegeringspoeder dat wordt geconsolideerd tot nanogestructureerde extrusies met behulp van een eenstapsproces zoals ShAPE, " zei PNNL-materiaalwetenschapper Scott Whalen, die de studie leidde.

Hij voegde toe, "De eliminatie van zowel de verwerkingsstappen als de noodzaak van voorverwarmen zou de productietijd drastisch kunnen verminderen en de kosten en de algehele ingebedde energie in het product kunnen verlagen, wat gunstig kan zijn voor autofabrikanten die personenauto's betaalbaarder willen maken, aansteker, en zuinig voor de consument."

Naast het leveren van het Al-12.4TM-poeder, SCM Metals-producten, Inc. voerde mechanische tests uit om de prestaties van het resulterende materiaal te valideren. PNNL en SCM Metaalproducten, werken nu samen aan een project voor DOE's Office of Technology Transitions om het proces voor extrusies met grotere diameter op te schalen.

Ductiliteit - het is een rek

Eliminatie van verwerkingsstappen en minder verhitting waren niet de enige succesvolle bevindingen van het team.

Hoewel hoogwaardige aluminiumlegeringen van oudsher een uitstekende sterkte hebben getoond, ze zijn meestal gehinderd door een slechte ductiliteit. Echter, het team vond dramatische verbeteringen in de ductiliteit van de extrusie geproduceerd door ShAPE, het meten van ductiliteit die twee tot drie keer zo groot is als bij conventionele extrusieproducten, en met gelijke sterkte.

Om de reden voor de aanzienlijke toename van de ductiliteit te begrijpen, transmissie-elektronenmicroscopie werd gebruikt om de microstructuren van het poeder en de geëxtrudeerde materialen te evalueren. De resultaten gaven aan dat de ShAPE-methode de tweede fasen in het poeder verfijnde:kleine versterkende deeltjes van niet-aluminiummaterialen. ShAPE verkleint de deeltjes tot nanoschaalgroottes en verdeelt ze gelijkmatig over de aluminiummatrix, ductiliteit vergroten.