En avancerad tillverkningsprocess för att producera nanostrukturerade stavar och rör direkt från högpresterande aluminiumlegeringspulver – i ett enda steg – demonstrerades nyligen av forskare från Pacific Northwest National Laboratory.

Genom att använda en ny Solid Phase Processing-metod, forskargruppen eliminerade flera steg som krävs under konventionell extruderingsbearbetning av aluminiumlegeringspulver, samtidigt som man uppnår en betydande ökning av produktens duktilitet (hur långt ett material kan sträcka sig innan det går sönder).

Detta är goda nyheter för sektorer som bilindustrin, där de höga tillverkningskostnaderna historiskt sett har begränsat användningen av höghållfasta aluminiumlegeringar gjorda av pulver.

Teamets forskning beskrivs i artikeln "High Ductility Aluminium Alloy Made from Powder by Friction Extrusion, " publicerad i juninumret 2019 av Materialia .

Ta ett steg bort från konventionell extrudering

Högpresterande aluminiumlegeringar gjorda av pulver har länge använts i lätta komponenter för specialiserade flygtillämpningar, där kostnaden inte är en begränsande faktor. Dock, dessa legeringar har vanligtvis varit för dyra för bilindustrin.

En typisk extruderingsprocess för aluminiumlegeringspulver är energi- och processintensiv, kräver flera steg för att massproducera materialet. Först, det lösa pulvret måste laddas i en burk och gaserna avlägsnas med vakuum, som kallas "avgasning". Burken försluts sedan, varmpressad, förvärmd, och placeras i extruderingspressen. Efter extrudering, burken tas bort, eller "decanned, " för att avslöja den extruderade delen gjord av konsoliderat pulver.

I den här studien, teamet eliminerade många av dessa steg, extrudering av nanostrukturerade aluminiumstavar direkt från pulver i ett enda steg, med hjälp av PNNL:s Shear Assisted Processing and Extrusion-teknik, eller FORM.

Extrudering av aluminiumlegeringar direkt från pulver eliminerar konservering, avgasning, varm isostatisk pressning, avkonservering, och ämnesförvärmning

I Shape-processen, ett pulver - i det här fallet, ett Al-12.4TM aluminiumlegeringspulver från SCM Metal Products, Inc., en division av Kymera International – hälls i en öppen behållare. En roterande strängsprutningsform tvingas sedan in i pulvret, som genererar värme vid gränsytan mellan pulvret och formen. Materialet mjuknar och extruderas lätt, eliminerar behovet av konservering, avgasning, varmpressning, förvärmning, och dekantering.

"Detta är det första publicerade exemplet av ett aluminiumlegeringspulver som konsolideras till nanostrukturerade extruderingar med en enstegsprocess som ShAPE, " sa PNNL materialforskare Scott Whalen, som ledde studien.

Han lade till, "Elimineringen av både bearbetningsstegen och behovet av förvärmning kan dramatiskt minska produktionstiden samt sänka kostnaden och den totala inbäddade energin i produkten, vilket kan vara fördelaktigt för biltillverkare som vill göra passagerarfordon mer överkomliga, lättare, och bränslesnål för konsumenten."

Förutom att tillhandahålla Al-12.4TM-pulvret, SCM Metals Products, Inc. utförde mekaniska tester för att validera det resulterande materialets prestanda. PNNL och SCM metallprodukter, Inc. samarbetar nu i ett projekt för DOE:s Office of Technology Transitions för att skala upp processen för extruderingar med större diameter.

Duktilitet—Det är en stretch

Eliminering av bearbetningssteg och minskad uppvärmning var inte de enda framgångsrika resultaten av teamet.

Medan högpresterande aluminiumlegeringar historiskt sett har visat utmärkt styrka, de har vanligtvis hämmats av dålig duktilitet. Dock, teamet fann dramatiska förbättringar i formbarheten hos extruderingen som produceras av ShAPE, mäta duktilitet som är två till tre gånger den som finns i konventionella extruderingsprodukter, och med motsvarande styrka.

För att förstå orsaken till den avsevärda ökningen av duktiliteten, transmissionselektronmikroskopi användes för att utvärdera mikrostrukturerna hos pulvret och de extruderade materialen. Resultaten visade att ShAPE-metoden förfinade de andra faserna i pulvret – små förstärkande partiklar av icke-aluminiummaterial. Shape reducerar partiklarna till nanoskala och fördelar dem jämnt i aluminiummatrisen, ökande duktilitet.