En tungvægtsløsning til lettere kampkøretøjer

Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory har udviklet og med succes testet en ny proces - kaldet Friction Stir Dovetailing - der forbinder tykke plader af aluminium til stål. Den nye proces vil blive brugt til at lave lettere militærkøretøjer, der er mere adrætte og brændstofeffektive.

15. april -udgaven af Scripta Materialia beskriver processen i detaljer og testning af samlinger skabt ved hjælp af den nye teknik. Det peer-reviewede tidsskrift dækker original forskning i forholdet mellem materialers struktur og egenskaber.

Lette tanken

Ifølge US Government Accountability Office, militæret bruger flere milliarder dollars hvert år på brændstofforbrug, som kunne reduceres ved at mindske skibenes vægt, fly, landkøretøjer, og last.

For at sænke brændstofomkostningerne og øge driftseffektiviteten og samtidig bevare sikkerhed for militært personale, U.S. Army Tank Automotive Research Development and Engineering Center - eller TARDEC - lancerede en kampagne i 2014 for at søge måder at lave kampsystemer - såsom kampvogne, kampvogne, og mandskabsvogne - mere letvægts. En tilgang, de undersøger, er udskiftning af tunge stålkomponenter med tykkere, endnu lettere, aluminium. Men aluminium og stål kan ikke svejses sammen på grund af vidt forskellige smeltepunkter, så de søgte en ny proces for at forbinde disse materialer.

TARDEC gik sammen med PNNL - som tidligere havde udviklet unikke materialesammenføjningsteknikker til bilindustrien - for at udvikle Friction Stir Dovetailing. Disse tidligere teknikker inkluderede Friction Stir Welding for at forbinde lignende metaller af forskellig tykkelse, og Friction Stir Scribe, som forbinder tynde plader af væsentligt forskellige materialer, som aluminium og stål.

Mens Friction Stir Scribe løste udfordringen med at forbinde tynde aluminiumsplader med stål, den teknik viste sig ikke at skalere op til de tykke plader af aluminium - målt i tommer - der er nødvendige for robuste militærkøretøjer.

En teknik der passer godt sammen med aluminium og stål

I træbearbejdning, svalehale og lim bruges til at forbinde træstykker sikkert. Friction Stir Dovetailing er en lignende tilgang til metaller. Ved hjælp af et specialdesignet værktøj, aluminium deformeres til en svalehalerille af stål for at danne en mekanisk sammenlåsning. På samme tid, værktøjet gnider langs bunden af ​​svalehalen for at danne en tynd metallurgisk binding - eller intermetallisk forbindelse - som "limer" metallerne sammen inden i svalehalen.

"Kombinationen af ​​mekanisk sammenlåsning og metallurgisk binding dannet under en enkelt proces er innovationen, der producerer samlinger med overlegen styrke og duktilitet sammenlignet med samlinger skabt af de andre friktionsomrøringsmetoder, " sagde PNNL-ingeniør Scott Whalen, hvem leder forskningen.

Forskerholdet opdagede, at brug af komplekse maskinstyringer til præcist at regulere temperatur og tryk ved aluminium-stål-grænsefladen hæmmede væksten af ​​intermetalliske forbindelser. Disse forbindelser vokser tykke og uensartet under de andre friktionsomrøringsteknikker, forårsager skørhed og svigt i leddene. Imidlertid, vækst af intermetalliske forbindelser - jernaluminid eller Fe3Al - under Friction Stir Dovetail -teknikken er gavnlig for leddet, fordi de er så tynde, tusind gange tyndere end et menneskehår, som fungerer som "lim" uden at forårsage skørhed.

"Intermetalliske forbindelser vil dannes mellem aluminium og stål under alle friktionsomrøringsteknikker som en del af opvarmningsprocessen, " sagde Whalen. "Vi opdagede, at Friction Stir Dovetailing hæmmer overvækst af intermetalliske forbindelser, fordi temperatur og tryk er meget lavere end andre friktionsrøremetoder."

Laboratorietest af samlinger foretaget af Friction Stir Dovetailing viste, at når man kombinerer metallurgisk binding med svalehalekonfigurationen, ledstyrken er ikke kun overlegen, men materialet kan strække sig til over en halv centimeter, før samlingen knækker - hvilket illustrerer fem gange mere duktilitet end aluminium og stål sammenføjet med andre friktionsrøreteknikker. Dette gør det muligt for leddet at "give" eller bevæge sig længere før brud - en attraktiv funktion for militære kampkøretøjer.

"Vi leder konstant efter innovative metoder til sammenføjning af flere materialer for at hjælpe os med at vælge det rigtige materiale til det rigtige formål på det rigtige sted, og Friction Stir Dovetailing tilbyder os netop sådan en state-of-the-art metode, " sagde Jason Middleton, TARDEC associeret direktør for Product Lifecycle Engineering.

Forskerholdet planlægger nu at forfine teknikken og udvide processen til andre fælles konfigurationer. Ud over aluminium og stål, andre materialekombinationer såsom aluminium til kobber, aluminium til magnesium, og magnesium til stål kan også forbindes med Friction Stir Dovetailing.

Og mens Friction Stir Dovetailing vil hjælpe med at løse brændstofforbrugsudfordringen for TARDEC, det er også tilgængeligt for licensering til andre potentielle applikationer såvel som samarbejdsmuligheder for forskning via PNNL kommercialiseringschef Sara Hunt.