Pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory desenvolveram e testaram com sucesso um novo processo - chamado Friction Stir Dovetailing - que une espessas placas de alumínio ao aço. O novo processo será usado para fabricar veículos militares mais leves, mais ágeis e eficientes em termos de combustível.

A edição de 15 de abril de Scripta Materialia descreve o processo em detalhes e o teste de juntas criadas usando a nova técnica. A revista revisada por pares cobre pesquisas originais sobre a relação entre a estrutura e as propriedades dos materiais.

Iluminando o tanque

De acordo com o U.S. Government Accountability Office, os militares gastam vários bilhões de dólares a cada ano no consumo de combustível, que poderia ser reduzido diminuindo o peso dos navios, aeronave, veículos terrestres, e carga.

Para reduzir os custos de combustível e aumentar a eficácia operacional, mantendo a segurança do pessoal militar, o Centro de Engenharia e Desenvolvimento de Pesquisa Automotiva de Tanques do Exército dos EUA - ou TARDEC - lançou uma campanha em 2014 buscando maneiras de fazer sistemas de combate - como tanques, veículos de combate, e transportadores de pessoal - mais leves. Uma abordagem que eles estão investigando é a substituição de componentes de aço pesados ​​por mais espessos, ainda mais leve, alumínio. Mas o alumínio e o aço não podem ser soldados juntos devido a pontos de fusão muito diferentes, então buscaram um novo processo para unir esses materiais.

A TARDEC uniu forças com a PNNL - que já havia desenvolvido técnicas exclusivas de união de materiais para a indústria automotiva - para desenvolver o Friction Stir Dovetailing. Essas técnicas anteriores incluíam soldagem por fricção e agitação para unir metais semelhantes de diferentes espessuras, e Friction Stir Scribe, que une folhas finas de materiais significativamente diferentes, como alumínio e aço.

Enquanto Friction Stir Scribe resolveu o desafio de unir folhas finas de alumínio com aço, descobriu-se que essa técnica não se compara às grossas placas de alumínio - medidas em polegadas - necessárias para veículos militares robustos.

Uma técnica que se encaixa perfeitamente com alumínio e aço

Em marcenaria, cauda de andorinha e cola são usadas para unir com segurança pedaços de madeira. Friction Stir Dovetailing é uma abordagem semelhante para metais. Usando uma ferramenta especialmente projetada, o alumínio é deformado em uma ranhura em cauda de andorinha de aço para formar um intertravamento mecânico. Ao mesmo tempo, a ferramenta esfrega ao longo da parte inferior da cauda de andorinha para formar uma fina ligação metalúrgica - ou composto intermetálico - que "cola" os metais dentro da cauda de andorinha.

"A combinação de intertravamento mecânico e ligação metalúrgica formada durante um único processo é a inovação que produz juntas de resistência e ductilidade superiores em comparação com as juntas criadas por outros métodos de agitação por fricção, "disse o engenheiro do PNNL Scott Whalen, quem lidera a pesquisa.

A equipe de pesquisa descobriu que o uso de controles complexos de máquina para regular com precisão a temperatura e a pressão na interface alumínio-aço inibia o crescimento de compostos intermetálicos. Esses compostos crescem espessos e não uniformemente durante as outras técnicas de agitação por fricção, causando fragilidade e falha nas articulações. Contudo, crescimento de compostos intermetálicos - alumineto de ferro ou Fe3Al - durante a técnica de Friction Stir Dovetailing é benéfica para a junta porque eles são tão finos, mil vezes mais fino que um cabelo humano, que atua como "cola" sem causar fragilização.

"Compostos intermetálicos se formarão entre o alumínio e o aço durante todas as técnicas de agitação por fricção como parte do processo de aquecimento, ", disse Whalen." Descobrimos que o Friction Stir Dovetailing inibe o supercrescimento de compostos intermetálicos porque a temperatura e a pressão são muito mais baixas do que outras abordagens de fricção e agitação. "

Os testes de laboratório de juntas feitas por Friction Stir Dovetailing mostraram que, ao combinar a ligação metalúrgica com a configuração em cauda de andorinha, a força da junta não é apenas superior, mas o material pode esticar até meio centímetro antes que a junta se quebre - ilustrando cinco vezes mais ductilidade do que o alumínio e o aço associados a outras técnicas de agitação por fricção. Isso permite que a junta "ceda" ou se mova mais antes de quebrar - um recurso atraente para veículos militares de combate.

"Estamos constantemente à procura de métodos inovadores de união de vários materiais para nos ajudar a selecionar o material certo para a finalidade certa no local certo, e Friction Stir Dovetailing nos oferece precisamente um método de ponta, "disse Jason Middleton, Diretor associado da TARDEC para Engenharia de Ciclo de Vida do Produto.

A equipe de pesquisa agora planeja refinar a técnica e expandir o processo para outras configurações de junta. Além de alumínio e aço, outras combinações de materiais, como alumínio para cobre, alumínio para magnésio, e magnésio ao aço também podem ser unidos usando Friction Stir Dovetailing.

E embora o Friction Stir Dovetailing ajude a resolver o desafio do consumo de combustível para a TARDEC, também está disponível para licenciamento para outras aplicações potenciais, bem como oportunidades de pesquisa colaborativa por meio do gerente de comercialização do PNNL Sara Hunt.