Industriële aluminiumplaten worden meestal geproduceerd door kleine hoeveelheden koper of mangaan te mengen in een reservoir van gesmolten aluminium dat snel wordt afgekoeld, een proces dat bekend staat als direct-chill casting. Variaties in de manier waarop deze elementen stollen, kunnen ongelijke resultaten opleveren die het eindproduct verzwakken, met gietstukken die soms op de schroothoop eindigen. Het beheersen van de verdeling van versterkende elementen naar aluminium door een gietstuk is dus de sleutel tot het verminderen van afval en het verbeteren van de productbetrouwbaarheid.

In de afgelopen drie jaar, MIT-assistent-professor metallurgie Antoine Allanore en zijn student Samuel R. Wagstaff PhD '16 ontwikkelden een nieuw proces dat een turbulente straal gebruikt om deze ongelijke verdeling in aluminiumlegeringstructuren met 20 procent te verminderen. De onderzoekers waren in staat om een ​​enkel getal aan te wijzen - de "macrosegregatie-index" - dat het verschil kwantificeert tussen de ideale chemische samenstelling en de werkelijke chemische samenstelling op specifieke punten in het stollingsproces.

"We hebben de technologie nu in de hele toeleveringsketen getest, en we hebben bevestigd dat de verbetering van 20 procent in de macrosegregatie-index goed genoeg was om een ​​verdere verhoging van de productiviteit mogelijk te maken, ' zegt Allanore.

Wagstaff's en Allanore's experimentele resultaten en theoretische verklaringen over direct-chill aluminiumverwerking zijn gepubliceerd in een paar artikelen in het tijdschrift Metallurgical en Materiaaltransacties B, met een derde in afwachting van publicatie. Het werk is gedaan in samenwerking met de wereldwijde aluminiumverwerker Novelis, met alle experimenten die plaatsvinden in het Novelis Solatens Technology Center in Spokane, Washington; sommige aspecten van het onderzoek zijn gepatenteerd.

Onevenwichtige structuren bestrijden

Macrosegregatie is de ongelijke verdeling van legeringselementen binnen een gestold aluminium onderdeel, creëren, bijvoorbeeld, koperarme regio's. Dit gebeurt het meest waarschijnlijk in het midden van een gietstuk, waar het verborgen blijft totdat het gietstuk opnieuw wordt verwerkt voor een ander gebruik, zoals het rollen van een dikke plaat tot een vlakke plaat. Deze onevenwichtige structuren kunnen zich vormen op een schaal van enkele fracties van een inch tot enkele meters en ze kunnen leiden tot scheuren, afschuiving of ander mechanisch falen van het materiaal.

Dit probleem is met name van belang nu de industrie op weg is naar snellere productieschema's en grotere series plaatwerk, bijvoorbeeld onderdelen voor pick-up trucks en vliegtuigvleugels. Een grotere nadruk op aluminiumrecycling brengt ook problemen met zich mee waarbij de samenstelling van secundaire elementen onvoorspelbaar kan zijn.

"De structuur analyseren, en in het bijzonder de aanwezigheid van vaste korrels, gevormd als de aluminiumlegering van vloeibaar naar vast verandert, is moeilijk omdat je niet door aluminium kunt kijken, en het materiaal wordt snel afgekoeld van 700 graden Celsius (1, 292 graden Fahrenheit), en korrels van verschillende grootte bewegen terwijl het aluminium stolt met een snelheid van ongeveer 2 tot 3 inch per minuut, zegt Allanore. Het probleem is typisch een gebrek aan het legeringselement nabij het midden van de stollende plaat of ingot.

"Het is een zeer perverse situatie in die zin dat de massieve plaat er van buitenaf heel mooi uit zou kunnen zien, klaar om naar de volgende behandeling te gaan, en pas later ontdek je dat er een defect was in een sectie, of in een gebied, wat in feite een enorm productiviteitsverlies betekent voor de hele toeleveringsketen, ' legt Allanore uit.

Uniforme legeringen maken

"Bij onze experimenten we hebben enkele specifieke tests op volledige schaal uitgevoerd om te blussen, dus om in principe het gesmolten metaal te proeven terwijl het wordt gegoten, en we hebben korrels gezien tussen 10 micron en 50 micron, en die granen zijn, volgens onze ontwikkeling, degenen die verantwoordelijk zijn voor macrosegregatie, "zegt Allanore. Hun oplossing is het inbrengen van een straalstroom om de hete vloeistof te recirculeren, zodat die korrels gelijkmatig worden herverdeeld in plaats van zich op te hopen in één deel van de staaf. "Het is als een waterslang in een zwembad, " legt hij uit. "Vanuit een puur vloeistofmechanica perspectief, het mengsel is homogeen. Het is gewoon een volle, complete mix van de legeringselementen en aluminium."

"De introductie van de jet veroorzaakte een heel andere recirculatie van de korrels en daardoor krijg je een andere microstructuur, langs de hele sectie. Het is niet alleen aan de randen of niet alleen in het midden, het is echt over de hele sectie, ", zegt Allanore. De onderzoekers konden het optimale straalvermogen berekenen dat nodig is voor de meest voorkomende aluminiumlegeringen, en testten vervolgens hun voorspellingen.

"Het werk van professor Allanore is een uitstekend voorbeeld van de toepassing van de stollingstheorie op de oplossing van een echt industrieel probleem, " zegt Merton C. Vlamingen, de emeritus hoogleraar materiaalverwerking van Toyota aan het MIT.

Doordrenkt van metaalwerk

Sam Wagstaff, hoofdauteur van de drie artikelen met Allanore, promoveerde in september aan het MIT na slechts drie jaar en werkt nu voor Novelis in Sierre, Zwitserland. "De reden waarom dit project succesvol is, is natuurlijk, vanwege Sam Wagstaff, "zegt Allanore. "Hij is een geweldige student geweest." Wagstaff, 27, is een achterkleinzoon van George Wagstaff, en kleinzoon van William Wagstaff, wiens Spokane, Wassen., machinewerkplaats in het gebied groeide uit tot Wagstaff Inc., die gespecialiseerd is in de koelmachines die worden gebruikt om vaste aluminiumlegeringen te produceren uit gesmolten vloeistof (maar die niet betrokken waren bij dit onderzoek). De vader van Sam Wagstaff, Robert, werkt voor Novelis, en Sam zelf werkte op 14-jarige leeftijd voor het eerst voor Novelis. Nadat hij zijn bachelor in werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek had behaald aan de Cornell University, Novelis bood Wagstaff de mogelijkheid om te promoveren om het bedrijf te helpen het probleem van macrosegregatie op te lossen door een methode te ontwikkelen om aluminium te roeren.

"Omdat ik me in een omgeving [waarin Novelis] bevindt, oké vindt dat ik het project neem en tegelijkertijd MIT me het laat nemen waar ik voelde dat het moest gaan, het werd uiteindelijk een geweldige ervaring, ", zegt Wagstaff. "Ik ken niet veel andere bedrijven of plaatsen die me zoveel zouden hebben laten groeien als ik, en daarvoor ben ik heel dankbaar, ' zegt Wagstaff.

"Het probleem dat je hebt met platen van vliegtuigkwaliteit of ruimtevaart, is dat je zeer significante macrosegregatiegebieden hebt in het midden van die plaat, dus je hebt drastische dalingen in mechanische eigenschappen in het centrum, Wagstaff zegt. "Ons onderzoek begon met het idee dat we macrosegregatie willen stoppen, " zegt Wagstaff. In plaats van veel verschillende manieren te bestuderen om aluminium te roeren, Wagstaff zegt dat hij en Allanore hebben voorgesteld een mengcriterium te ontwikkelen, net zoals dat wordt gebruikt in de chemische technologie. Omdat de ergste problemen zich voordeden in het midden van de blokken, met daar tot 20 procent variatie in samenstelling, dat werd de focus van het onderzoek, hij zegt.

"We wisten dat we konden bedenken hoe we dingen door elkaar konden halen en dat we dingen konden veranderen, maar het zou heel moeilijk zijn geweest om A met B en C te vergelijken, en daar kwam de macrosegregatie-index vandaan. Dat is slechts een numeriek schema dat we hebben uitgevonden om type A-menging te vergelijken met type B-menging met type C-menging, dus dan kunnen we op de een of andere manier alle verschillende mengparameters met elkaar in verband brengen om te zeggen dat dit soort mengen beter is, " zegt hij. De index bestraft ingots afhankelijk van hun afwijking van de gewenste samenstelling als functie van hun afstand tot het centrum en een lager indexcijfer staat voor hogere kwaliteit.

De oplossing was om een ​​jet te ontwerpen die zou werken met bestaande direct-chill gietmachines. "Het enige wat we deden was het straalvermogen veranderen als functie van de diameter met behulp van een magnetische pomp om de snelheid te regelen, kracht en snelheid van die jet tijdens het gieten, ", zegt Wagstaff. "Het mooie van jets is dat ze vrij goed gedefinieerd zijn, we begrijpen hoe ze uitbreiden, hoe hun krachten worden verdeeld als functie van de tijd, als functie van de ruimte, dus ze zijn een relatief eenvoudig fenomeen om te bestuderen. We hebben uiteindelijk magneten aan de jet gekoppeld en een contactloze magnetische pomp gebouwd om onze jet te genereren."

Straalvermogen optimaliseren

Het team ontwikkelde formules om te berekenen hoe snel en hoe sterk de straalkracht moet zijn om clustering van defecten in het centrum te voorkomen voor een bepaalde set legeringselementen en matrijsafmetingen. Terwijl de kranten een verbetering van 20 procent melden, Wagstaff zegt met optimalisatie van de jetpomp, verbetering tot 60 procent is mogelijk.

Kleine variaties in individuele korrels [microsegregatie] kunnen soms worden genezen door het aluminium gietstuk opnieuw te verwarmen, maar wanneer grootschalige ongelijke verdeling optreedt met een zwakke middellijn, het is onpraktisch omdat het veel te lang zou duren voordat het koper of een ander legeringselement door het materiaal zou migreren.

Afgestudeerde materiaalkundestudent Carolyn M. Joseph in de groep van Allanore bestudeert hoe deze korrels die macrosegregatie veroorzaken zich vormen in een aluminiumlegering die 4,5 gewichtsprocent koper bevat. Met behulp van de nieuwe straalroertechniek, ze neemt monsters tijdens het gieten in de buurt van het tweefasengebied (slurry), waarin korrels vast metaal circuleren in het vloeibare aluminium. Dit doet ze door het metaal snel af te koelen op verschillende plaatsen langs de staaf terwijl het wordt gevormd, en ze bestudeert de monsters onder een microscoop op verschillen in korrelgrootte, vorm, samenstelling en distributie. "De grootte van uw solide structuur, hoe fijn of grof het is, hangt af van de snelheid waarmee je het koelt, " legt Joseph uit. Microscopische afbeeldingen die ze maakte van monsters die grote korrelstructuren laten zien, zijn het bewijs dat die korrels vast waren in de slurry voordat deze snel werd afgekoeld. ze zegt.

"In de vloeistof, ze zijn gemengd, de kuiper en aluminium vormen een oplossing, maar als je van vloeibaar naar vast gaat, er is scheiding van de legeringselementen, "zegt Joseph. Korrels die zich vroeg vormen, zijn uitgeput in koper en hebben de neiging zich in het midden van een plaat te clusteren.

"Het voordeel hiervan is dat het een tussenliggend type snapshot is. In plaats van naar de uiteindelijke doorsnede te kijken en de korrelgrootte en samenstelling te bestuderen, we kunnen het in een tussenstadium zien, terwijl het een halfvast mengsel is, wat gebeurd er, " legt Jozef uit, die werkt aan een master in materiaalkunde. "Op macroschaal u een gelijkmatige verdeling van koper wilt, en dat is wat Sam's mixen heeft kunnen bereiken, " ze zegt.

Rol in recycling

Allanore is van mening dat het straalgeroerde aluminiumproces ook een rol kan spelen bij recycling. "Niet alle gerecyclede producten van aluminium zijn hetzelfde, omdat sommige uit een voormalig vliegtuig komen en sommige uit een voormalig drankblikje, en dit zijn twee verschillende legeringen, ", zegt hij. "Dus als het gaat om de samenleving om te kunnen recyclen en nieuwe aluminiumproducten van hoge kwaliteit te maken, we kunnen duidelijk zien dat er een kwestie is van hoe we omgaan met die legeringselementen. Het werk dat we hebben gedaan, Ik geloof, is een voorbeeld van hoe we bestaande technologieën kunnen aanpassen zodat ze meer klaar zijn voor meer gerecycled materiaal zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit van het product dat je maakt."

"Door de juiste hoeveelheid theoretisch werk en experimenteel werk te doen en samen te werken, hand in hand met de industrie, we dit soort oplossingen kunnen vinden die een hogere productiviteit mogelijk maken, meer gerecyclede materialen, wat betekent minder energie en minder impact op het milieu, iets heel spannends, ' zegt Allanore.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.