Placas de alumínio industrial são normalmente produzidas pela mistura de pequenas quantidades de cobre ou manganês em um reservatório de alumínio fundido que é resfriado rapidamente, um processo conhecido como fundição a frio direto. Variações na forma como esses elementos se solidificam podem produzir resultados desiguais que enfraquecem o produto final, com peças fundidas às vezes terminando na pilha de sucata. Controlar a distribuição dos elementos de reforço para o alumínio em toda a peça fundida é, portanto, a chave para reduzir o desperdício e melhorar a confiabilidade do produto.

Nos últimos três anos, O professor assistente de metalurgia do MIT, Antoine Allanore, e seu aluno Samuel R. Wagstaff PhD '16 desenvolveram um novo processo que usa um jato turbulento para reduzir essa distribuição desigual em estruturas de liga de alumínio em 20 por cento. Os pesquisadores conseguiram localizar um único número - o "índice de macrosegregação" - que quantifica a diferença entre a composição química ideal e a composição química real em pontos específicos do processo de solidificação.

"Agora testamos a tecnologia em toda a cadeia de abastecimento, e confirmamos que a melhoria de 20 por cento no índice de macrosegregação era boa o suficiente para permitir um aumento adicional na produtividade, "Allanore diz.

Os resultados experimentais de Wagstaff e Allanore e as explicações teóricas sobre o processamento de alumínio por resfriamento direto são publicados em um par de artigos na revista Metallurgical e Transações de Materiais B, com uma terceira publicação pendente. O trabalho foi feito em colaboração com a processadora global de alumínio Novelis, com todos os experimentos ocorrendo no Centro de Tecnologia da Novelis Solatens em Spokane, Washington; alguns aspectos da pesquisa foram patenteados.

Combatendo estruturas desequilibradas

Macrosegregação é a distribuição desigual de elementos de liga dentro de uma peça de alumínio solidificado, criando, por exemplo, regiões pobres em cobre. É mais provável que ocorra no centro de uma peça fundida, onde permanece oculto até que a peça fundida seja reprocessada para outro uso, como enrolar uma placa grossa em uma folha plana. Essas estruturas desequilibradas podem se formar em uma escala de várias frações de polegada a vários metros e podem levar a rachaduras, cisalhamento ou outra falha mecânica do material.

Este problema é particularmente significativo à medida que a indústria avança em direção a cronogramas de produção mais rápidos e maiores execuções de chapas metálicas - por exemplo, peças para caminhonetes e asas de avião. Uma maior ênfase na reciclagem de alumínio também apresenta problemas em que a composição dos elementos secundários pode ser imprevisível.

“Analisando a estrutura, e, em particular, a presença de grãos sólidos, formado quando a liga de alumínio passa de líquido para sólido é difícil porque você não pode ver através do alumínio, e o material é resfriado rapidamente de 700 graus Celsius (1, 292 graus Fahrenheit), e grãos de tamanhos diferentes estão se movendo conforme o alumínio se solidifica a uma taxa de cerca de 2 a 3 polegadas por minuto, Allanore diz. O problema é tipicamente a falta do elemento de liga próximo ao centro da placa de solidificação ou lingote.

“É uma situação muito perversa no sentido de que vista de fora a laje maciça poderia parecer muito bonita, pronto para ir para o próximo tratamento, e só mais tarde você descobre que havia esse defeito em uma seção, ou em uma área, o que basicamente significa uma grande perda de produtividade para toda a cadeia de abastecimento, "Allanore explica.

Fazendo ligas uniformes

"Em nossos experimentos, fizemos alguns testes específicos em escala real para temperar, então, basicamente, amostrar o metal fundido à medida que é fundido, e vimos grãos em qualquer lugar entre 10 mícrons e 50 mícrons, e esses grãos são, de acordo com nosso desenvolvimento, os responsáveis ​​pela macrosegregação, "Diz Allanore. A solução deles é inserir um jato para recircular o líquido quente para que os grãos sejam redistribuídos uniformemente, em vez de se acumularem em uma região do lingote." É como uma mangueira de água em uma piscina, "ele explica." De uma perspectiva puramente da mecânica dos fluidos, a mistura é homogênea. É apenas um completo, mistura completa dos elementos de liga e alumínio. "

"A introdução do jato induziu uma recirculação completamente diferente dos grãos e, portanto, você obtém microestrutura diferente, ao longo de toda a seção. Não é apenas nas bordas ou não apenas no centro, é realmente em toda a seção, "Allanore diz. Os pesquisadores foram capazes de calcular a potência ideal do jato necessária para as ligas de alumínio mais comuns, e então testou suas previsões.

"O trabalho do professor Allanore é um excelente exemplo de aplicação da teoria da solidificação para a solução de um problema industrial do mundo real, "diz Merton C. Flemings, o Professor Emérito de Processamento de Materiais da Toyota no MIT.

Embebido em trabalho de metal

Sam Wagstaff, autor principal dos três artigos com Allanore, terminou seu doutorado no MIT em setembro após apenas três anos e agora trabalha para a Novelis em Sierre, Suíça. "A razão do sucesso deste projeto é, claro, por causa de Sam Wagstaff, "Allanore diz." Ele tem sido um aluno de pós-graduação incrível. "Wagstaff, 27, é bisneto de George Wagstaff, e neto de William Wagstaff, cujo Spokane, Lavagem., a oficina mecânica cresceu para se tornar Wagstaff Inc., que é especializada em chillers usados ​​para produzir ligas sólidas de alumínio a partir de líquido fundido (mas que não estava envolvida nesta pesquisa). O pai de Sam Wagstaff, Robert, trabalha para a Novelis, e o próprio Sam trabalhou pela primeira vez para a Novelis aos 14 anos. Depois de se formar em engenharia mecânica e aeroespacial na Cornell University, A Novelis ofereceu a Wagstaff a oportunidade de buscar um PhD para ajudar a empresa a resolver o problema da macrosegregação, desenvolvendo um método para misturar o alumínio.

"Estar em um ambiente [no qual a Novelis está] bem comigo levando o projeto e, ao mesmo tempo, o MIT me deixando levá-lo para onde eu achasse necessário, acabou sendo uma experiência incrível, "Wagstaff diz." Não conheço muitas outras empresas ou lugares que me teriam permitido crescer tanto quanto eu, e por isso sou muito grato, "Wagstaff diz.

"O problema que você tem com a placa de nível de aeronave ou aeroespacial é que você tem regiões de macrosegregação muito significativas no centro dessa placa, então você tem quedas drásticas nas propriedades mecânicas bem no centro, "Wagstaff diz." Nossa pesquisa começou com a ideia de que queremos ser capazes de impedir a macrosegregação, "Wagstaff diz. Em vez de estudar muitas maneiras diferentes de misturar o alumínio, Wagstaff diz que ele e Allanore propuseram desenvolver um critério de mistura igual aos usados ​​na engenharia química. Porque os piores problemas estavam ocorrendo no centro dos lingotes, com até 20 por cento de variação na composição lá, que se tornou o foco da pesquisa, ele diz.

"Sabíamos que podíamos descobrir como misturar as coisas e mexer com as coisas, mas ser capaz de comparar A com B com C teria sido muito difícil, e é daí que veio o índice de macrosegregação. Este é apenas um esquema numérico que inventamos para comparar a mistura do tipo A com a mistura do tipo B e a mistura do tipo C, então podemos de alguma forma relacionar todos os diferentes parâmetros de mixagem para dizer que este tipo de mixagem é melhor, "diz. O índice pune os lingotes em função de seu desvio da composição desejada em função de sua distância do centro e um número de índice menor representa maior qualidade.

A solução foi projetar um jato que funcionasse com as máquinas de fundição a frio existentes. "Tudo o que fizemos foi mudar a potência do jato em função do diâmetro usando uma bomba magnética para controlar a velocidade, potência e velocidade desse jato em toda a fundição, "Wagstaff diz." A grande coisa sobre jatos é que eles são muito bem definidos, entendemos como eles se expandem, como suas forças são distribuídas em função do tempo, em função do espaço, portanto, são um fenômeno relativamente fácil de estudar. Acabamos acoplando ímãs ao jato e construímos uma bomba magnética sem contato para gerar nosso jato. "

Otimizando a potência do jato

A equipe desenvolveu fórmulas para calcular o quão rápido e quão forte a potência do jato deve ser para evitar o agrupamento de defeitos no centro de um determinado conjunto de elementos de liga e dimensões do molde. Embora os jornais relatem uma melhora de 20 por cento, Wagstaff diz com a otimização da bomba de jato, melhorias de até 60 por cento são possíveis.

Pequenas variações em grãos individuais [microssegregação] às vezes podem ser curadas pelo reaquecimento da fundição de alumínio, mas quando a distribuição desigual em grande escala ocorre com uma linha central fraca, é impraticável porque levaria muito tempo para o cobre ou outro elemento de liga migrar através do material.

A estudante de graduação em ciência dos materiais Carolyn M. Joseph, do grupo de Allanore, está estudando como esses grãos que causam a macrosegregação se formam em uma liga de alumínio com 4,5% de cobre em peso. Usando a nova técnica de agitação a jato, ela coleta amostras durante a fundição perto da região de duas fases (pasta), em que grãos de metal sólido circulam no alumínio líquido. Ela faz isso resfriando rapidamente o metal em vários locais ao longo do lingote conforme ele está sendo formado, e ela estuda as amostras em um microscópio para diferenças no tamanho do grão, forma, composição e distribuição. "O tamanho da sua estrutura sólida, quão fino ou grosso é, depende da taxa em que você está resfriando, "Joseph explica. Imagens microscópicas que ela fez de amostras mostrando grandes estruturas de grãos são evidências de que os grãos eram sólidos na pasta antes de ser rapidamente resfriada, ela diz.

"No líquido, eles estão misturados, o cobre e o alumínio formam uma solução, mas quando você passa de líquido para sólido, há segregação dos elementos de liga, "Joseph diz. Grãos que se formam cedo são esgotados em cobre e tendem a se agrupar no centro de uma placa.

"A vantagem disso é que é um tipo intermediário de instantâneo. Em vez de olhar para a seção transversal final e estudar seu tamanho de grão e composição, podemos ver isso em um estágio intermediário, embora seja uma mistura semi-sólida, o que está acontecendo, "explica Joseph, que está cursando um mestrado em ciência dos materiais. "Na macroescala, você quer uma distribuição uniforme de cobre, e é isso que a mixagem de Sam conseguiu alcançar, " ela diz.

Papel na reciclagem

Allanore acredita que o processo de alumínio agitado também pode desempenhar um papel na reciclagem. “Nem todos os produtos reciclados de alumínio são iguais, porque alguns deles vêm de um antigo avião e alguns deles vêm de uma antiga lata de bebida, e essas são duas ligas diferentes, "diz ele." Portanto, quando se trata da sociedade ser capaz de reciclar e fazer novos produtos de alumínio de alta qualidade, podemos ver claramente que há uma questão de como vamos lidar com esses elementos de liga. O trabalho que fizemos, Eu acredito, é um exemplo de como podemos modificar as tecnologias existentes para que fiquem mais prontas para ter mais material reciclado sem comprometer no final a qualidade do produto que você está fabricando. "

"Fazendo a quantidade adequada de trabalho teórico e experimental e trabalhando em colaboração, lado a lado com a indústria, podemos encontrar esse tipo de solução que permite maior produtividade, mais materiais reciclados, o que significa menos energia e menos impacto ambiental, algo muito excitante, "Allanore diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.