Sviluppo delle leghe di alluminio: come le leghe raggiungono proprietà meccaniche più elevate

Lo scopo dello sviluppo delle leghe

Lo sviluppo della lega di alluminio è la manipolazione controllata della chimica, della lavorazione e del trattamento termico per raggiungere una combinazione target di resistenza, tenacità, resistenza alla corrosione e formabilità. L'alluminio puro è morbido e duttile; ogni lega commerciale aggiunge elementi che interferiscono con il movimento della dislocazione o affinano la microstruttura. Il compito dell'ingegneria è decidere quale meccanismo fornisce la proprietà richiesta a un costo accettabile, quindi fissare il percorso di elaborazione che rende quel meccanismo ripetibile in produzione.

Cinque meccanismi dominano la pratica moderna: indurimento per precipitazione, microlega di scandio, aggiunte di litio, indurimento in forno in fogli 6xxx e solidificazione rapida per servizi a-temperature elevate.

Indurimento delle precipitazioni nella serie 7xxx

Nelle leghe Zn-Mg-Cu, i cluster di soluti formano zone Guinier-Preston coerenti entro circa 24 ore dall'invecchiamento naturale a temperatura ambiente. Il percorso T6 standard per queste leghe consiste nel trattamento della soluzione a circa 475 gradi per 2 ore, un raffreddamento in acqua, quindi un invecchiamento artificiale a circa 120 gradi per 24 ore.

Durante l'invecchiamento artificiale la fase metastabile η', a base di MgZn₂, nuclea e blocca il movimento delle lussazioni, che è ciò che produce l'aumento della forza. Il compromesso-è classico: il-tempra T7 invecchiato sacrifica circa il 10% della resistenza di picco per ottenere una resistenza nettamente migliore alle fessurazioni da stress-corrosione, come in AA7075-T7351.

Le specifiche dei materiali aerospaziali stabiliscono comunemente una resistenza alla frattura da deformazione piana minima- superiore a 28 MPa·m^1/2per sezioni spesse di ali-longheroni in piastre-7xxx ad alta resistenza come AA7150-T7751. La resistenza alla frattura viene misurata con le procedure ASTM B645, in modo che gli aspetti relativi alla resistenza e alla tolleranza al danno del requisito possano essere valutati in termini comparabili.

Microlega dello scandio, affinamento del grano e saldabilità

L'aggiunta di circa lo 0,2% di scandio a una lega di alluminio trasforma la struttura dei grani come-colata, riducendo la dimensione dei grani da circa 500 μm a circa 10 μm. Il meccanismo è la formazione di Al coerente₃Nanoprecipitati Sc, di dimensioni tipicamente pari a 3-5 nm, che fissano sia le dislocazioni che i bordi dei grani e resistono alla ricristallizzazione anche dopo la lavorazione ad alta temperatura.

Il miglioramento delle proprietà è elevato per un'aggiunta di microleghe: nel materiale Al-Mg-Sc ricotto il carico di snervamento aumenta da circa 150 MPa a circa 350 MPa. Lo scandio rimuove anche la suscettibilità alle rotture a caldo-nelle leghe saldabili ad alta-resistenza come AA2219, motivo per cui le varianti saldabili di Al-Cu-Sc vengono utilizzate per le grandi cupole dei serbatoi di propellente criogenico. Il fattore limitante è sempre stato il costo e gran parte degli sforzi di sviluppo sono ora dedicati al recupero dello scandio dai sottoprodotti della lavorazione e dagli sterili delle miniere, in modo che l'aggiunta diventi economica in una gamma più ampia di prodotti.

Aggiunte di litio e riduzione della densità

Ogni 1% di litio aggiunto all'alluminio riduce la densità di circa il 3% e aumenta la rigidità, motivo per cui le leghe contenenti litio-sono attraenti per strutture critiche in termini di peso-e per i serbatoi criogenici. Le leghe con circa l'1,0% di Li, come la famiglia 2195, hanno sostituito la 2219 nei serbatoi dei veicoli di lancio-e hanno consentito un notevole risparmio di peso per veicolo.

Il trattamento di invecchiamento duplex esiste perché T₁la precipitazione è lenta e deve essere nucleata alla temperatura più bassa prima che nella fase di temperatura più alta-crescano precipitati simili a piastre-che conferiscono alla lega il suo equilibrio di forza e tenacità. La fusione pulita è altrettanto importante, poiché il litio si ossida facilmente e le inclusioni di ossido agiscono come iniziatori di cricche.

Indurimento in forno nella serie 6xxx

I pannelli della carrozzeria automobilistica utilizzano fogli di Al-Mg-Si nella condizione T4P, formati e quindi rinforzati nel reparto di verniciatura. Mg₂Aghi di Si'', di circa 2 x 5 nm, precipitano durante il ciclo di verniciatura-cottura, in genere a 185 gradi per 20 minuti, aumentando la resistenza allo snervamento laddove il pannello è già formato.

La lastra AA6016-T4P raggiunge una resistenza post-cottura superiore di circa il 20% rispetto a un riferimento in acciaio a doppia fase come DP780.

L'adesione dell'elettrocoat dipende dal mantenimento del rapporto ferro-e-silicio superiore a circa 1,5:1 in modo che la chimica della superficie rimanga coerente attraverso la linea di pretrattamento.

La prestazione in caso di impatto misurata poiché l'assorbimento di energia raggiunge circa 15 kJ/kg, contro circa 8 kJ/kg per sezioni in acciaio comparabili.

Le fusioni del sottoscocca e i pannelli strutturali di grandi dimensioni in un unico pezzo-in leghe 6xxx utilizzano lo stesso percorso di cottura-indurimento, pertanto la formabilità sotto pressa e la resistenza in servizio sono disaccoppiate.

Solidificazione rapida e leghe-ad alta temperatura

Le leghe di alluminio pressofuso convenzionali perdono resistenza al di sopra di circa 150 gradi perché il loro rafforzamento precipita e diventa grossolano. La rapida solidificazione aggira questo limite creando una dispersione fine di particelle termicamente stabili. La deposizione a spruzzo, ad esempio, produce una lega Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si che raggiunge ancora una resistenza di circa 400 MPa a 300 gradi, supportata da una popolazione dispersaide superiore a 10¹⁷/m³di 50 nm Al₁₂(Fe,V)₃Particelle di Si che resistono all'ingrossamento.

La produzione additiva estende la stessa idea a forme complesse. La fusione laser selettiva viene utilizzata per costruire ruote di turbocompressori e pinze freno AlSi10Mg con strutture cellulari fini e supersature e buona libertà dimensionale, mentre le leghe Al-Ce-Mg sviluppate per le sezioni del compressore resistono a temperature di servizio di circa 250 gradi senza perdere la dispersione. Per i progettisti, il messaggio pratico è che lo sviluppo di leghe non è più solo una questione di aggiunta di elementi a una massa fusa; il percorso della polvere, la velocità di solidificazione e il trattamento termico sono ora leve altrettanto potenti.

Domande frequenti

D: Cos'è l'indurimento per precipitazione nelle leghe di alluminio?
Si rafforza grazie alle particelle finemente disperse formatesi durante l'invecchiamento. Il soluto viene trattenuto in soluzione sovrasatura mediante quenching, quindi precipita come zone GP e fasi metastabili che ostacolano il movimento delle lussazioni.

D: Perché utilizzare il temperamento T7 invece del T6 di picco-invecchiato?
L'invecchiamento eccessivo del T7-riduce circa il 10% della resistenza massima, ma migliora notevolmente la resistenza alla fessurazione da stress-corrosione e la stabilità dimensionale, che è importante per le sezioni spesse con carico sostenuto.

D: Quanto scandio è necessario per affinare la struttura del grano?
Circa lo 0,2% è solitamente sufficiente per ridurre la dimensione del grano colato da circa 500 μm a circa 10 μm attraverso l'Al₃Nanoprecipitati Sc di 3-5 nm.

D: Perché le leghe contenenti litio-invecchiano in due fasi?
T₁(Al₂CuLi) la precipitazione è lenta, quindi l'invecchiamento duplex a 155 gradi e poi a 190 gradi nuclea prima la fase e poi la fa crescere fino alla dimensione che conferisce la migliore resistenza e tenacità.

D: Quali sono i limiti della cottura-della lamiera 6xxx temprata nei pannelli della carrozzeria?
Formabilità nella pressa e stabilità della chimica superficiale per l'adesione dell'elettrorivestimento, motivo per cui il rapporto ferro-e-silicio è controllato a un valore superiore a circa 1,5:1.

D: Quale meccanismo consente all'alluminio di funzionare a temperature superiori a 250 gradi?
Processo di solidificazione rapida. Crea una densa dispersione di particelle stabili, come Al₁₂(Fe,V)₃Si, che resiste all'ingrossamento a temperatura elevata.