Stærk karnteknik producerer mere ensartet strukturerede store aluminiumstøbninger

Industrielle aluminiumsplader fremstilles typisk ved at blande små mængder kobber eller mangan i et reservoir af smeltet aluminium, der hurtigt afkøles, en proces kendt som direkte-chill støbning. Variationer i den måde, hvorpå disse elementer størkner, kan give ujævne resultater, der svækker det endelige produkt, med støbninger, der nogle gange ender på skrotbunken. Styring af fordelingen af ​​forstærkningselementer til aluminium gennem en støbning er således nøglen til at reducere spild og forbedre produkts pålidelighed.

I løbet af de sidste tre år har MIT -assisterende professor i metallurgi Antoine Allanore og hans studerende Samuel R. Wagstaff PhD '16 udviklede en ny proces, der bruger en turbulent jet til at reducere denne ujævne fordeling i aluminiumslegeringskonstruktioner med 20 procent. Forskerne var i stand til at udpege et enkelt tal - "makrosegregeringsindekset" - der kvantificerer forskellen mellem den ideelle kemiske sammensætning og den faktiske kemiske sammensætning på bestemte punkter i størkningsprocessen.

"Vi har nu testet teknologien langs hele forsyningskæden, og vi bekræftede, at forbedringen af ​​makrosegregeringsindekset på 20 procent var god nok til at muliggøre yderligere stigning i produktiviteten, "Siger Allanore.

Wagstaffs og Allanores eksperimentelle resultater og teoretiske forklaringer på direkte nedkøling af aluminiumsforarbejdning offentliggøres i et par artikler i tidsskriftet Metallurgical og Materialetransaktioner B, med en tredje ventende offentliggørelse. Arbejdet blev udført i samarbejde med den globale aluminiumprocessor Novelis, med alle eksperimenterne, der finder sted på Novelis Solatens Technology Center i Spokane, Washington; nogle aspekter af forskningen er blevet patenteret.

Bekæmper ubalancerede strukturer

Makrosegregering er den ujævne fordeling af legeringselementer i en størknet aluminiumsdel, skabe, for eksempel, kobberfattige områder. Dette vil sandsynligvis forekomme i midten af ​​en støbning, hvor det forbliver skjult, indtil støbningen er genbehandlet til anden brug, såsom at rulle en tyk plade til et fladt ark. Disse ubalancerede strukturer kan dannes på en skala fra flere brøkdele af en tomme til flere yards, og de kan føre til revner, klipning eller anden mekanisk fejl i materialet.

Dette problem er særligt vigtigt, da industrien bevæger sig mod hurtigere produktionsplaner og større metalplader - f.eks. dele til pickupvogne og flyvinger. Større vægt på genanvendelse af aluminium udgør også spørgsmål, hvor sammensætningen af ​​sekundære elementer kan være uforudsigelig.

"Analyse af strukturen, og især tilstedeværelsen af ​​faste kerner, dannet, da aluminiumslegeringen bliver fra flydende til fast, er vanskelig, fordi du ikke kan se igennem aluminium, og materialet afkøles hurtigt fra 700 grader Celsius (1, 292 grader Fahrenheit), og korn af forskellig størrelse bevæger sig, når aluminium stivner med en hastighed på ca. 2 til 3 tommer i minuttet, Siger Allanore. Problemet er typisk mangel på legeringselementet nær midten af ​​den størknende plade eller barre.

"Det er en meget pervers situation i den forstand, at den solide plade udefra kunne se meget flot ud, klar til at gå til den næste behandling, og det er først senere, at du opdager, at der var denne defekt i et afsnit, eller i et område, hvilket i bund og grund betyder et stort tab af produktivitet for hele forsyningskæden, "Allanore forklarer.

Fremstilling af ensartede legeringer

"I vores eksperimenter, vi lavede nogle specifikke tests i fuld skala for at slukke, så for stort set at prøve det smeltede metal, når det støbes, og vi har set korn overalt mellem 10 mikron og op til 50 mikron, og disse korn er, ifølge vores udvikling, dem, der er ansvarlige for makrosegregering, "Siger Allanore. Deres løsning er at indsætte en jetstrøm for at recirkulere den varme væske, så disse korn fordeles ensartet i modsætning til at ophobes i et område af barren." Det er som en vandslange i en swimmingpool, "forklarer han." Fra et rent flydende mekanisk perspektiv, blandingen er homogen. Det er bare fuld, komplet blanding af legeringselementerne og aluminium. "

"Indførelsen af ​​strålen forårsagede en helt anden recirkulation af kornene, og derfor får du forskellige mikrostrukturer, hele vejen igennem sektionen. Det er ikke kun på kanterne eller ikke kun i midten, det er virkelig på tværs af hele sektionen, "Siger Allanore. Forskerne var i stand til at beregne den optimale jeteffekt, der var nødvendig for de mest almindelige aluminiumlegeringer, og testede derefter deres forudsigelser.

"Professor Allanores arbejde er et glimrende eksempel på anvendelse af størkningsteori til løsning af et virkeligt industrielt problem, "siger Merton C. Flemings, Toyota Professor Emeritus of Materials Processing ved MIT.

Gennemtrængt i metalarbejde

Sam Wagstaff, hovedforfatter til de tre artikler med Allanore, afsluttede sin doktorgrad ved MIT i september efter kun tre år og arbejder nu for Novelis i Sierre, Schweiz. "Grunden til, at dette projekt er vellykket, er, selvfølgelig, på grund af Sam Wagstaff, "Allanore siger." Han har været en fantastisk kandidatstuderende. "Wagstaff, 27, er et oldebarn til George Wagstaff, og barnebarn af William Wagstaff, hvis Spokane, Vask., område maskinforretning voksede til Wagstaff Inc., som er specialiseret i kølere, der bruges til at producere faste aluminiumlegeringer af smeltet væske (men som ikke var involveret i denne forskning). Sam Wagstaffs far, Robert, arbejder for Novelis, og Sam selv arbejdede først for Novelis i en alder af 14. Efter at han fik sin bachelorgrad i mekanik og rumfartsteknik ved Cornell University, Novelis tilbød Wagstaff muligheden for at forfølge en ph.d. for at hjælpe virksomheden med at løse problemet med makrosegregering ved at udvikle en metode til omrøring af aluminium.

"At være i et miljø [hvor Novelis har det] okay med, at jeg tager projektet og samtidig lader MIT mig tage det, hvor jeg følte det var nødvendigt at gå, det endte med at blive en fantastisk oplevelse, "Siger Wagstaff." Jeg kender ikke for mange andre virksomheder eller steder, der ville have ladet mig vokse så meget som jeg gjorde, og for det er jeg virkelig taknemmelig, "Siger Wagstaff.

"Det problem, du har med plader af fly- eller rumfartskvalitet, er, at du har meget betydelige makrosegregeringsområder i midten af ​​pladen, så du har drastiske fald i mekaniske egenskaber i midten, "Wagstaff siger." Vores forskning startede med ideen om, at vi vil have mulighed for at stoppe makrosegregering, "Siger Wagstaff. I stedet for at studere mange forskellige måder at røre aluminium på, Wagstaff siger, at han og Allanore foreslog at udvikle et blandingskriterium ligesom dem, der bruges i kemiteknik. Fordi de værste problemer opstod i midten af ​​barrer, med op til 20 procent variation i sammensætning der, der blev fokus for forskningen, han siger.

"Vi vidste, at vi kunne finde ud af at blande tingene sammen, og vi kunne røre rundt i tingene, men at kunne sammenligne A til B til C ville have været virkelig svært, og det er derfor, makrosegregeringsindekset kom fra. Det er bare et numerisk skema, som vi opfandt for at sammenligne blanding af type A med blanding af type B til blanding af type C, så så kan vi på en eller anden måde relatere alle de forskellige blandingsparametre sammen for at sige, at denne form for blanding er bedre, "siger han. Indekset straffer barrer afhængigt af deres afvigelse fra den ønskede sammensætning som en funktion af deres afstand til midten, og et lavere indeksnummer repræsenterer højere kvalitet.

Løsningen var at designe en jet, der ville fungere med eksisterende direkte-chill støbemaskiner. "Alt vi gjorde var at ændre jetstrømmen som en funktion af diameter ved hjælp af en magnetisk pumpe til at styre hastighed, strålens kraft og hastighed under støbningen, "Wagstaff siger." Det store ved jetfly er, at de er ret veldefinerede, vi forstår, hvordan de udvides, hvordan deres kræfter fordeles som en funktion af tiden, som funktion af rummet, så de er et relativt let fænomen at studere. Vi endte med at koble magneter med strålen og byggede en berøringsfri magnetisk pumpe til at generere vores jet. "

Optimering af jetstrøm

Teamet udviklede formler til at beregne, hvor hurtig og hvor stærk jetstrømmen skal være for at forhindre gruppering af defekter i midten for et givent sæt legeringselementer og støbeformdimensioner. Mens papirerne rapporterer forbedring på 20 procent, Wagstaff siger med optimering af jetpumpen, forbedring op til 60 procent er mulig.

Små variationer i individuelle korn [mikrosegregering] kan undertiden helbredes ved at genopvarme aluminiumstøbningen, men når der opstår stor ujævn fordeling med en svag midterlinje, det er upraktisk, fordi det ville tage alt for lang tid, før kobberet eller det andet legeringselement vandrer gennem materialet.

Materialevidenskabelig studerende Carolyn M. Joseph i Allanores gruppe studerer, hvordan disse korn, der forårsager makrosegregering, dannes i en aluminiumlegering, der er 4,5 procent kobber i vægt. Ved hjælp af den nye jet -omrøringsteknik, hun tager prøver under støbning nær tofaset område (gylle), hvor korn af fast metal cirkulerer i det flydende aluminium. Hun gør dette ved hurtigt at afkøle metallet forskellige steder langs barren, mens den dannes, og hun studerer prøverne under et mikroskop for forskelle i kornstørrelse, form, sammensætning og distribution. "Størrelsen på din solide struktur, hvor fint eller groft det er, afhænger af den hastighed, du køler det med, "Joseph forklarer. Mikroskopiske billeder, hun lavede af prøver, der viste store kornstrukturer, er et bevis på, at kornene var faste i gyllen, før den hurtigt blev afkølet, hun siger.

"I væsken, de er blandet, Cooper og aluminium danner en løsning, men når du går fra flydende til fast, der er adskillelse af legeringselementerne, "Siger Joseph. Korn, der dannes tidligt, tømmes i kobber og har en tendens til at klynge sig i midten af ​​en plade.

"Fordelen ved dette er, at det er en mellemliggende type snapshot. I stedet for at se på det sidste tværsnit og studere dets kornstørrelse og sammensætning, vi kan se det på et mellemtrin, mens det er en halvfast blanding, hvad sker der, "forklarer Joseph, der arbejder hen imod en kandidatgrad i materialevidenskab. "På makroskalaen, du ønsker en jævn fordeling af kobber, og det er det, Sams blanding har kunnet opnå, " hun siger.

Rolle i genbrug

Allanore mener, at den jet-omrørte aluminiumproces også kan spille en rolle i genbrug. "Ikke alle genbrugsprodukter af aluminium er ens, fordi nogle af dem kommer fra et tidligere fly, og nogle af dem kommer fra en tidligere drikkevare dåse, og det er to forskellige legeringer, "siger han." Så når det kommer til, at samfundet kan genbruge og lave nye aluminiumsprodukter af høj kvalitet, vi kan tydeligt se, at der er et spørgsmål om, hvordan vi skal håndtere disse legeringselementer. Det arbejde, vi har udført, Jeg tror, er et eksempel på, hvordan vi kan ændre eksisterende teknologier, så de bliver mere klar til at have mere genbrugsmateriale uden at gå på kompromis med kvaliteten af ​​det produkt, du laver. "

"Ved at udføre den korrekte mængde teoretisk arbejde og eksperimentelt arbejde og arbejde i samarbejde, hånd i hånd med industrien, vi kan finde denne type løsninger, der tillader højere produktivitet, flere genbrugsmaterialer, hvilket betyder mindre energi og mindre miljøpåvirkning, noget meget spændende, "Siger Allanore.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.