El objetivo del desarrollo de aleaciones
El desarrollo de aleaciones de aluminio es la manipulación controlada de la química, el procesamiento y el tratamiento térmico para alcanzar una combinación objetivo de resistencia, tenacidad, resistencia a la corrosión y formabilidad. El aluminio puro es blando y dúctil; Cada aleación comercial agrega elementos que interfieren con el movimiento de las dislocaciones o refinan la microestructura. La tarea de ingeniería es decidir qué mecanismo entrega la propiedad requerida a un costo aceptable y luego fijar la ruta de procesamiento que hace que ese mecanismo sea repetible en producción.
Cinco mecanismos dominan la práctica moderna: endurecimiento por precipitación, microaleación de escandio, adiciones de litio, endurecimiento por horneado en láminas 6xxx y solidificación rápida para servicio a temperatura elevada-.
Endurecimiento por precipitación en la serie 7xxx
En las aleaciones de Zn-Mg-Cu, los grupos de solutos forman zonas Guinier-Preston coherentes aproximadamente 24 horas después del envejecimiento natural a temperatura ambiente. La ruta estándar T6 para estas aleaciones consiste en un tratamiento con solución a aproximadamente 475 grados durante 2 horas, un enfriamiento con agua y luego un envejecimiento artificial a aproximadamente 120 grados durante 24 horas.
Durante el envejecimiento artificial la fase metaestable η', basada en MgZn2, nuclea y bloquea el movimiento de dislocación, que es lo que produce el aumento de fuerza. La compensación-es clásica: el temperamento T7 envejecido- sacrifica alrededor del 10 % de la resistencia máxima para obtener una resistencia notablemente mejor al agrietamiento por corrosión bajo tensión-, como en AA7075-T7351.
| Paso | Condición típica | Objetivo |
|---|---|---|
| envejecimiento natural | Temperatura ambiente, hasta 24 h. | Forma zonas GP coherentes |
| Tratamiento de solución | 475 grados, 2 horas | Disuelve fases solubles. |
| Aplacar | Agua fría | Retiene una solución sólida sobresaturada. |
| Envejecimiento artificial | 120 grados, 24 h | Precipitados finos η' (MgZn2) |
| Mayor-envejecimiento | condición T7 | Cambia la fuerza máxima por la resistencia a la corrosión |
Las especificaciones de materiales aeroespaciales suelen establecer una tenacidad a la fractura por deformación plana-mínima superior a 28 MPa·m.1/2para secciones gruesas de larguero-de ala en placa 7xxx de alta-resistencia, como AA7150-T7751. La tenacidad a la fractura se mide con los procedimientos de ASTM B645, de modo que los aspectos de resistencia y tolerancia al daño del requisito puedan evaluarse en términos comparables.
Microaleación de escandio, refinamiento de grano y soldabilidad
Agregar aproximadamente un 0,2 % de escandio a una aleación de aluminio transforma la estructura del grano fundido, reduciendo el tamaño del grano de aproximadamente 500 μm a aproximadamente 10 μm. El mecanismo es la formación de Al coherente.3Nanoprecipitados Sc, típicamente de 3-5 nm de tamaño, que fijan tanto las dislocaciones como los límites de los granos y resisten la recristalización incluso después del procesamiento a alta temperatura.
La ganancia de propiedad es grande para una adición de microaleación: en el material recocido de Al-Mg-Sc, el límite elástico aumenta de aproximadamente 150 MPa a aproximadamente 350 MPa. El escandio también elimina la susceptibilidad al agrietamiento en caliente-en aleaciones soldables de alta-resistencia como AA2219, razón por la cual se utilizan variantes soldables de Al-Cu-Sc para grandes domos de tanques de propulsor criogénico. El factor limitante siempre ha sido el costo, y ahora se dedican muchos esfuerzos de desarrollo a recuperar el escandio de los subproductos del proceso y de los relaves mineros para que la adición resulte económica en una gama más amplia de productos.
Adiciones de litio y reducción de densidad
Cada 1 % de litio agregado al aluminio reduce la densidad en aproximadamente un 3 % y aumenta la rigidez, razón por la cual las aleaciones que contienen litio-son atractivas para estructuras de peso-crítico y para tanques criogénicos. Las aleaciones con aproximadamente 1,0 % de Li, como la familia 2195, han reemplazado a 2219 en el tanque de los vehículos de lanzamiento-y han generado ahorros sustanciales de peso por vehículo.
| Característica | Detalle |
|---|---|
| Fase de precipitado | T1(Alabama2culi) |
| práctica de envejecimiento | Dúplex: 155 grados durante 32 h, luego 190 grados durante 24 h |
| Limpieza del derretimiento | refundición por arco al vacío para mantener el oxígeno por debajo de 10 ppm |
| Uso de fuselajes | AA2099-T86 placa y lámina para revestimientos de fuselaje |
| Mecanizado | Necesita refrigerantes a base de-aceite-mineral debido a la reactividad del litio. |
El tratamiento de envejecimiento dúplex existe porque T1La precipitación es lenta y debe nuclearse a la temperatura más baja antes de que el paso de{0}}temperatura más alta forme precipitaciones en forma de placa-que le dan a la aleación su equilibrio de resistencia y tenacidad. La fusión limpia es igualmente importante, ya que el litio se oxida fácilmente y las inclusiones de óxido actúan como iniciadores de grietas.
Endurecimiento al horno en la serie 6xxx
Los paneles de carrocería de automóviles utilizan láminas de Al-Mg-Si en estado T4P, formadas y luego reforzadas en el taller de pintura. magnesio2Las agujas de Si '', de aproximadamente 2 por 5 nm, precipitan durante el ciclo de horneado de la pintura-, generalmente a 185 grados durante 20 minutos, lo que aumenta el límite elástico donde el panel ya está formado.
La lámina AA6016-T4P alcanza aproximadamente un 20 % más de resistencia post-cocción que una referencia de acero de doble fase como DP780.
La adhesión de la electrocapa depende de mantener la proporción de hierro-a-silicona por encima de aproximadamente 1,5:1 para que la química de la superficie se mantenga constante a lo largo de la línea de pretratamiento.
El rendimiento en caso de colisión, medido como absorción de energía, alcanza aproximadamente 15 kJ/kg, frente a aproximadamente 8 kJ/kg para secciones de acero comparables.
Las piezas fundidas grandes de una sola pieza-para los bajos de la carrocería y los paneles estructurales en aleaciones 6xxx utilizan la misma ruta de endurecimiento-por horneado, por lo que la conformabilidad en la prensa y la resistencia en servicio están desacopladas.
Solidificación rápida y aleaciones de alta-temperatura
Las aleaciones de aluminio fundido convencionales pierden resistencia por encima de aproximadamente 150 grados porque sus precipitados de refuerzo se vuelven más gruesos. La solidificación rápida evita este límite al crear una fina dispersión de partículas térmicamente estables. La deposición por pulverización, por ejemplo, produce una aleación de Al-8,5Fe-1,3V-1,7Si que aún alcanza una resistencia de aproximadamente 400 MPa a 300 grados, respaldada por una población de dispersoides superior a 1017/m3de 50 nm Al12(Fe,V)3Partículas de Si que resisten el engrosamiento.
La fabricación aditiva extiende la misma idea a formas complejas. Se utiliza fusión láser selectiva para construir ruedas de turbocompresor y pinzas de freno de AlSi10Mg con estructuras celulares finas y sobresaturadas y buena libertad dimensional, mientras que las aleaciones de Al-Ce-Mg desarrolladas para secciones de compresores soportan temperaturas de servicio de alrededor de 250 grados sin perder su dispersión. Para los diseñadores, el mensaje práctico es que el desarrollo de aleaciones ya no es sólo una cuestión de agregar elementos a una masa fundida; La ruta del polvo, la tasa de solidificación y el tratamiento térmico son ahora palancas igualmente poderosas.
Preguntas frecuentes
P: ¿Qué es el endurecimiento por precipitación en las aleaciones de aluminio?
Se fortalece gracias a las partículas finamente dispersas que se forman durante el envejecimiento. El soluto se mantiene en una solución sobresaturada mediante enfriamiento y luego precipita como zonas GP y fases metaestables que obstruyen el movimiento de la dislocación.
P: ¿Por qué utilizar el temperamento T7 en lugar del T6 envejecido-pico?
El sobreenvejecimiento T7 cede alrededor del 10 % de la resistencia máxima, pero mejora en gran medida la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión-y la estabilidad dimensional, lo cual es importante para secciones gruesas bajo carga sostenida.
P: ¿Cuánto escandio se necesita para refinar la estructura del grano?
Alrededor del 0,2 % suele ser suficiente para reducir el tamaño del grano fundido de aproximadamente 500 μm a aproximadamente 10 μm a través del Al.3Nanoprecipitados Sc de 3-5 nm.
P: ¿Por qué las aleaciones que contienen litio-envejecen en dos etapas?
T1(Alabama2CuLi) la precipitación es lenta, por lo que el envejecimiento dúplex a 155 grados y luego a 190 grados nuclea la fase primero y luego la hace crecer hasta el tamaño que proporciona la mejor resistencia y dureza.
P: ¿Qué límites hornean-la hoja 6xxx endurecida en los paneles de la carrocería?
La formabilidad en la prensa y la estabilidad de la química de la superficie para la adhesión de la electrocapa, razón por la cual la proporción de hierro-a-silicio se controla por encima de aproximadamente 1,5:1.
P: ¿Qué mecanismo permite que el aluminio funcione por encima de 250 grados?
Procesamiento rápido de solidificación. Crea una densa dispersión de partículas estables, como Al12(Fe,V)3Si, que resiste el engrosamiento a temperatura elevada.
