Friction Stir Dovetailing är en process som förenar tjocka plåtar av aluminium med stål. Den nya processen kommer att användas för att göra lättare militära fordon som är smidigare och bränslesnålare. Kredit:PNNL
Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory har utvecklat och framgångsrikt testat en ny process - kallad Friction Stir Dovetailing - som förenar tjocka plattor av aluminium med stål. Den nya processen kommer att användas för att göra lättare militära fordon som är smidigare och bränslesnålare.
15 april numret av Scripta Materialia beskriver processen i detalj och testning av fogar skapade med den nya tekniken. Den peer-reviewade tidskriften täcker originalforskning om förhållandet mellan struktur och egenskaper hos material.
Att lätta på tanken
Enligt US Government Accountability Office, militären spenderar flera miljarder dollar varje år på bränsleförbrukning, som skulle kunna minskas genom att minska fartygens vikt, flygplan, markfordon, och last.
För att sänka bränslekostnaderna och öka operativ effektivitet samtidigt som säkerheten för militär personal bibehålls, U.S. Army Tank Automotive Research Development and Engineering Center – eller TARDEC – lanserade en kampanj 2014 för att söka sätt att tillverka stridssystem – som stridsvagnar, stridsfordon, och personalbärare - lättare. Ett tillvägagångssätt de undersöker är att ersätta tunga stålkomponenter med tjockare, ännu lättare, aluminium. Men aluminium och stål kan inte svetsas ihop på grund av väldigt olika smältpunkter, så de sökte en ny process för att sammanfoga dessa material.
TARDEC gick samman med PNNL - som tidigare hade utvecklat unika materialsammanfogningstekniker för bilindustrin - för att utveckla Friction Stir Dovetailing. Dessa tidigare tekniker inkluderade Friction Stir Welding för att sammanfoga liknande metaller av olika tjocklek, och Friction Stir Scribe, som sammanfogar tunna skivor av väsentligt olika material, som aluminium och stål.
Medan Friction Stir Scribe löste utmaningen att sammanfoga tunna aluminiumplåtar med stål, den tekniken visade sig inte skala upp till de tjocka plattor av aluminium - mätt i tum - som behövs för robusta militärfordon.
En teknik som passar fint ihop med aluminium och stål
I träbearbetning, laxstjärtar och lim används för att säkert foga ihop träbitar. Friction Stir Dovetailing är en liknande metod för metaller. Med hjälp av ett specialdesignat verktyg, aluminium deformeras till ett laxstjärtspår av stål för att bilda en mekanisk förregling. På samma gång, verktyget gnuggar längs botten av laxstjärten för att bilda en tunn metallurgisk bindning - eller intermetallisk förening - som "limmar" ihop metallerna i laxstjärten.
"Kombinationen av mekanisk sammanlåsning och metallurgisk bindning som bildas under en enda process är innovationen som ger fogar med överlägsen styrka och duktilitet jämfört med fogar skapade av andra friktionsomrörningsmetoder, " sa PNNL ingenjör Scott Whalen, vem som leder forskningen.
Laboratorietester av leder gjorda av Friction Stir Dovetailing visade att, när man kombinerar metallurgisk bindning med laxstjärtskonfigurationen, ledstyrkan är inte bara överlägsen, men materialet kan sträcka sig till över en halv centimeter innan fogen går sönder - vilket illustrerar fem gånger mer duktilitet än aluminium och stål förenade med andra friktionsomrörningstekniker. Kredit:PNNL
Forskargruppen upptäckte att användning av komplexa maskinkontroller för att exakt reglera temperatur och tryck vid aluminium-stålgränssnittet hämmade tillväxten av intermetalliska föreningar. Dessa föreningar växer tjocka och ojämnt under de andra friktionsomrörningsteknikerna, orsakar sprödhet och brott i lederna. Dock, tillväxt av intermetalliska föreningar - järnaluminid eller Fe3Al - under Friction Stir Dovetailing-tekniken är fördelaktigt för fogen eftersom de är så tunna, tusen gånger tunnare än ett människohår, som fungerar som "lim" utan att orsaka sprödhet.
"Intermetalliska föreningar kommer att bildas mellan aluminium och stål under alla friktionsomrörningstekniker som en del av uppvärmningsprocessen, ", sade Whalen. "Vi upptäckte att Friction Stir Dovetailing hämmar överväxt av intermetalliska föreningar eftersom temperatur och tryck är mycket lägre än andra friktionsomrörningsmetoder."
Laboratorietester av fogar gjorda av Friction Stir Dovetailing visade att när man kombinerar metallurgisk bindning med laxstjärtskonfigurationen, ledstyrkan är inte bara överlägsen, men materialet kan sträcka sig till över en halv centimeter innan fogen går sönder - vilket illustrerar fem gånger mer duktilitet än aluminium och stål sammanfogade med andra friktionsomrörningstekniker. Detta gör att leden kan "ge" eller flytta sig längre innan den går sönder - en attraktiv funktion för militära stridsfordon.
"Vi letar ständigt efter innovativa metoder för sammanfogning av flera material för att hjälpa oss att välja rätt material för rätt ändamål på rätt plats, och Friction Stir Dovetailing erbjuder oss just en sådan toppmodern metod, sa Jason Middleton, TARDEC biträdande direktör för Product Lifecycle Engineering.
Forskargruppen planerar nu att förfina tekniken och utöka processen för andra gemensamma konfigurationer. Förutom aluminium och stål, andra materialkombinationer som aluminium till koppar, aluminium till magnesium, och magnesium till stål kan också sammanfogas med Friction Stir Dovetailing.
Och medan Friction Stir Dovetailing kommer att hjälpa till att lösa utmaningen med bränsleförbrukningen för TARDEC, det är också tillgängligt för licensiering för andra potentiella applikationer samt forskningsmöjligheter via PNNL kommersialiseringschef Sara Hunt.
