Industriella aluminiumplattor tillverkas vanligtvis genom att blanda små mängder koppar eller mangan i en reservoar av smält aluminium som snabbt kyls, en process som kallas direkt-kylgjutning. Variationer i hur dessa element stelnar kan ge ojämna resultat som försvagar slutprodukten, med avgjutningar som ibland slutar på skrothögen. Att kontrollera fördelningen av förstärkningselement till aluminium genom en gjutning är därför nyckeln till att minska avfallet och förbättra produktens tillförlitlighet.

Under de senaste tre åren, MIT biträdande professor i metallurgi Antoine Allanore och hans student Samuel R. Wagstaff PhD '16 utvecklade en ny process som använder en turbulent stråle för att minska denna ojämna fördelning i aluminiumlegeringsstrukturer med 20 procent. Forskarna kunde peka ut ett enda nummer - "makrosegregationsindexet" - som kvantifierar skillnaden mellan den ideala kemiska sammansättningen och den faktiska kemiska sammansättningen vid specifika punkter i stelningsprocessen.

"Vi har nu testat tekniken längs hela leveranskedjan, och vi bekräftade att den 20-procentiga förbättringen av makrosegregationsindex var tillräckligt bra för att tillåta ytterligare ökning av produktiviteten, " säger Allanore.

Wagstaffs och Allanores experimentella resultat och teoretiska förklaringar om bearbetning av aluminium med direkt kylning publiceras i ett par artiklar i tidskriften Metallurgical and Materialtransaktioner B, med en tredje väntande publikation. Arbetet gjordes i samarbete med den globala aluminiumprocessorn Novelis, med alla experiment som äger rum på Novelis Solatens Technology Center i Spokane, Washington; vissa aspekter av forskningen har patenterats.

Bekämpa obalanserade strukturer

Makrosegregering är den ojämna fördelningen av legeringselement inom en stelnad aluminiumdel, skapande, till exempel, kopparfattiga regioner. Detta är mest sannolikt att inträffa i mitten av en gjutning, där den förblir dold tills gjutgodset återbearbetas för annan användning, såsom att rulla en tjock platta till en platt plåt. Dessa obalanserade strukturer kan bildas på en skala från flera bråkdelar av en tum till flera yards och de kan leda till sprickbildning, klippning eller annat mekaniskt fel på materialet.

Detta problem är särskilt viktigt eftersom industrin går mot snabbare produktionsscheman och större plåtserier – till exempel, delar till pickupbilar och flygplansvingar. Större tonvikt på aluminiumåtervinning ställer också till problem där sammansättningen av sekundära element kan vara oförutsägbar.

"Analysera strukturen, och särskilt närvaron av fasta korn, som bildas när aluminiumlegeringen förvandlas från flytande till fast är svårt eftersom du inte kan se genom aluminium, och materialet kyls snabbt från 700 grader Celsius (1, 292 grader Fahrenheit), och korn av olika storlek rör sig när aluminiumet stelnar med en hastighet av cirka 2 till 3 tum per minut, säger Allanore. Problemet är vanligtvis bristen på legeringselementet nära mitten av den stelnande plattan eller götet.

"Det är en väldigt pervers situation i den meningen att den solida plattan från utsidan kan se väldigt fin ut, redo att gå till nästa behandling, och det är först senare som du upptäcker att det fanns denna defekt i ett avsnitt, eller i ett område, vilket i princip innebär en enorm produktivitetsförlust för hela leveranskedjan, " förklarar Allanore.

Att göra enhetliga legeringar

"I våra experiment, vi gjorde några specifika tester i full skala för att släcka, så att i princip prova den smälta metallen när den gjuts, och vi har sett korn någonstans mellan 10 mikron upp till 50 mikron, och dessa korn är, enligt vår utveckling, de som ansvarar för makrosegregering, " säger Allanore. Deras lösning är att sätta in en jetström för att recirkulera den heta vätskan så att dessa korn omfördelas jämnt i motsats till att de samlas i en del av götet. "Det är som en vattenslang i en simbassäng, " förklarar han. "Från ett rent flödesmekaniskt perspektiv, blandningen är homogen. Det är bara fullt, komplett blandning av legeringselementen och aluminium."

"Introduktionen av strålen inducerade en helt annan återcirkulation av kornen och därför får du en annan mikrostruktur, längs hela sektionen. Det är inte bara på kanterna eller inte bara i mitten, det är verkligen över hela avsnittet, " säger Allanore. Forskarna kunde beräkna den optimala jetkraften som behövs för de vanligaste aluminiumlegeringarna, och sedan testade deras förutsägelser.

"Professor Allanores arbete är ett utmärkt exempel på tillämpning av stelningsteori för att lösa ett verkligt industriellt problem, " säger Merton C. Flemings, Toyota professor emeritus i materialbearbetning vid MIT.

Genomsyrad av metallarbete

Sam Wagstaff, huvudförfattare till de tre tidningarna med Allanore, doktorerade vid MIT i september efter bara tre år och arbetar nu för Novelis i Sierre, Schweiz. "Anledningen till att detta projekt är framgångsrikt är, självklart, på grund av Sam Wagstaff, " säger Allanore. "Han har varit en fantastisk doktorand." Wagstaff, 27, är ett barnbarnsbarn till George Wagstaff, och sonson till William Wagstaff, vars Spokane, Tvätta., maskinverkstad i området växte till Wagstaff Inc., som specialiserat sig på de kylare som används för att tillverka fasta aluminiumlegeringar från smält vätska (men som inte var involverad i denna forskning). Sam Wagstaffs far, Robert, jobbar för Novelis, och Sam själv arbetade först för Novelis vid 14 års ålder. Efter att han tog sin kandidatexamen i mekanisk och rymdteknik vid Cornell University, Novelis erbjöd Wagstaff möjligheten att doktorera för att hjälpa företaget att lösa problemet med makrosegregation genom att utveckla en metod för att röra om aluminium.

"Att vara i en miljö [där Novelis är] okej med att jag tog projektet och samtidigt MIT lät mig ta det dit jag kände att det behövde gå, det blev en fantastisk upplevelse, " säger Wagstaff. "Jag känner inte till för många andra företag eller platser som skulle ha låtit mig växa så mycket som jag gjorde, och för det är jag verkligen tacksam, " säger Wagstaff.

"Problemet du har med plåt av flygplans- eller rymdkvalitet är att du har mycket betydande makrosegregationsregioner i mitten av plattan, så du har drastiska minskningar i mekaniska egenskaper i mitten, " säger Wagstaff. "Vår forskning började med idén att vi vill kunna stoppa makrosegregering, " säger Wagstaff. Istället för att studera många olika sätt att röra om aluminium, Wagstaff säger att han och Allanore föreslog att man skulle utveckla ett blandningskriterium precis som de som används inom kemiteknik. Eftersom de värsta problemen inträffade i mitten av göt, med upp till 20 procents variation i sammansättning där, som blev fokus för forskningen, han säger.

"Vi visste att vi kunde komma på hur vi skulle blanda ihop saker och ting och vi kunde röra om saker, men att kunna jämföra A med B och C skulle ha varit riktigt svårt, och så det var därifrån makrosegregationsindexet kom. Det är bara ett numeriskt schema som vi uppfann för att jämföra typ A-blandning med typ B-blandning med typ C-blandning, så då kan vi på något sätt relatera alla olika blandningsparametrar tillsammans för att säga att den här typen av blandning är bättre, " säger han. Indexet straffar tackor beroende på deras avvikelse från den önskade sammansättningen som en funktion av deras avstånd från centrum och ett lägre indextal representerar högre kvalitet.

Lösningen var att designa en jet som skulle fungera med befintliga direktkylningsgjutmaskiner. "Allt vi gjorde var att ändra jeteffekten som en funktion av diametern med hjälp av en magnetisk pump för att styra hastigheten, kraften och hastigheten för den jetstrålen under hela gjutningen, " säger Wagstaff. "Det fina med jetplan är att de är ganska väldefinierade, vi förstår hur de expanderar, hur deras krafter är fördelade som en funktion av tiden, som en funktion av rymden, så de är ett relativt enkelt fenomen att studera. Det slutade med att vi kopplade magneter med strålen och byggde en beröringsfri magnetisk pump för att generera vår jet."

Optimering av jetkraft

Teamet utvecklade formler för att beräkna hur snabb och hur stark jetkraften måste vara för att förhindra kluster av defekter i centrum för en given uppsättning legeringselement och formdimensioner. Medan tidningarna rapporterar en förbättring på 20 procent, Wagstaff säger med optimering av jetpumpen, förbättring upp till 60 procent är möjlig.

Små variationer i enskilda korn [mikrosegregation] kan ibland läkas genom att värma upp aluminiumgjutgodset, men när storskalig ojämn fördelning inträffar med en svag mittlinje, det är opraktiskt eftersom det skulle ta alldeles för lång tid för koppar eller andra legeringselement att vandra genom materialet.

Student i materialvetenskap Carolyn M. Joseph i Allanores grupp studerar hur dessa korn som orsakar makrosegregation bildas i en aluminiumlegering som är 4,5 viktprocent koppar. Genom att använda den nya jet-omrörningstekniken, hon tar prover under gjutning nära tvåfasområdet (slurry), där korn av fast metall cirkulerar i det flytande aluminiumet. Hon gör detta genom att snabbt kyla metallen på olika ställen längs götet när den formas, och hon studerar proverna under ett mikroskop för skillnader i kornstorlek, form, sammansättning och distribution. "Storleken på din solida struktur, hur fin eller grov den är, beror på i vilken hastighet du kyler den, " förklarar Joseph. Mikroskopiska bilder hon gjorde av prover som visar stora kornstrukturer är bevis på att kornen var fasta i slurryn innan den snabbt kyldes, hon säger.

"I vätskan, de är blandade, Cooper och aluminium bildar en lösning, men när du går från flytande till fast, det finns segregering av legeringselementen, ", säger Joseph. Korn som bildas tidigt är utarmade på koppar och tenderar att samlas i mitten av en platta.

"Fördelen med detta är att det är en mellanliggande typ av ögonblicksbild. Istället för att titta på det slutliga tvärsnittet och studera dess kornstorlek och sammansättning, vi kan se det i ett mellanstadium, medan det är en halvfast blandning, Vad pågår, " förklarar Josef, som arbetar mot en magisterexamen i materialvetenskap. "På makroskalan, du vill ha en jämn fördelning av koppar, och det är vad Sams blandning har kunnat uppnå, " hon säger.

Roll i återvinning

Allanore tror att den jet-omrörda aluminiumprocessen också kan spela en roll vid återvinning. "Alla återvunna produkter av aluminium är inte desamma, eftersom några av dem kommer från ett tidigare flygplan och några av dem kommer från en tidigare dryckesburk, och det här är två olika legeringar, " säger han. "Så när det gäller att samhället ska kunna återvinna och tillverka nya aluminiumprodukter av hög kvalitet, vi kan tydligt se att det finns en fråga om hur vi ska hantera dessa legeringselement. Det arbete vi har gjort, Jag tror, är ett exempel på hur vi kan modifiera befintliga teknologier så att de blir mer redo att ha mer återvunnet material utan att i slutet kompromissa med kvaliteten på produkten du gör."

"Genom att göra rätt mängd teoretiskt och experimentellt arbete och arbeta i samarbete, hand i hand med industrin, vi kan hitta den här typen av lösningar som tillåter högre produktivitet, mer återvunnet material vilket innebär mindre energi och mindre miljöpåverkan, något väldigt spännande, " säger Allanore.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.