PNNL ShAPE вдвое сокращает энергопотребление, необходимое для процесса экструзии алюминия

Более легкие транспортные средства могут путешествовать дальше, потребляя меньше энергии, что приводит к увеличению спроса на более легкие автомобильные компоненты. Высокопроизводительные алюминиевые сплавы, такие как сплав 7075, относятся к числу самых легких и прочных вариантов, но требуют энергоемкого производства, что повышает затраты и, следовательно, ограничивает их применение.

Теперь исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) показали, что их технология обработки и экструзии со сдвигом (ShAPE) (ранее пост) может исключить этапы термообработки в производственном процессе, что приводит к значительной экономии энергии и сокращению выбросов. Статья об исследовании в открытом доступе опубликована в журнале Materials & Design.

Обычное производство металлов использует тепло для плавления отдельных металлов и легирующих элементов, таких как алюминий, медь или магний, для создания сплавов, которые легче, прочнее или легче формуются. Если эти элементы плохо перемешаны, во время обработки могут образоваться трещины и трещины, которые ухудшают свойства конечного продукта. В производстве металлов тепло используется для обеспечения хорошего смешивания отдельных металлических элементов в сплаве на этапе, называемом гомогенизацией.

Во время гомогенизации крупные металлические отливки, называемые заготовками, нагреваются почти до 500 градусов по Цельсию (около 900 градусов по Фаренгейту) в течение 24 часов. На этом этапе термообработки агрегаты сплава растворяются в заготовке, что обеспечивает равномерное распределение или гомогенизацию всех металлических элементов. Это улучшает характеристики конечного продукта. После гомогенизации металлические стержни подвергаются дальнейшему нагреву и формованию на этапе, называемом экструзией.

Гомогенизация — самый энергозатратный этап во всем процессе экструзии металлов.

В процессе ShAPE компании PNNL используется машина для прядения заготовок или кусков объемного металлического сплава, создавая за счет трения ровно столько тепла, чтобы размягчить материал, чтобы его можно было легко экструдировать через матрицу для формирования трубок, стержней и каналов. Одновременные линейные и вращательные силы используют только 10% силы, которая обычно необходима для проталкивания материала через матрицу в традиционных процессах.

Исследователи PNNL теперь обнаружили, что машина ShAPE устраняет необходимость в отдельных этапах гомогенизации и экструзии за счет сочетания нагрева и деформации — изменения формы самого металла. В машине ШАПЭ металлическая заготовка одновременно проталкивается через небольшое отверстие во вращающейся матрице. Вместе вращательное движение и деформация тщательно перемешивают металлические элементы во время их выдавливания. По сути, процесс ШАПЭ гомогенизирует металлическую заготовку за несколько секунд, непосредственно перед ее экструдированием. Это устраняет необходимость в однодневном этапе гомогенизации с предварительным нагревом и означает, что для нагрева заготовки во время экструзии не используется дополнительная энергия. В совокупности это приводит к экономии энергии до 50% при использовании ШАПЭ.

Экструзия негомогенизированных отливок из алюминиевого (Al) сплава 7075 была осуществлена ​​с использованием обработки и экструзии со сдвигом (SHAPE). Одновременная пластическая деформация и выделение тепла во время ШАПЭ быстро разрушают и растворяют междендритные и внутризеренные вторичные фазы Al-Zn-Mg-Cu, обеспечивая гомогенизацию за секунды, а не за многие часы в печи перед экструзией. Таким образом, ShAPE исключает энергоемкий и трудоемкий этап гомогенизации, необходимый для подготовки отлитых микроструктур для традиционной экструзии.

Одновременно происходит значительное измельчение зерна за счет градиентной активации динамической рекристаллизации при ШАПЭ, что способствует трехкратному увеличению скорости экструзии по сравнению с традиционным методом экструзии. Достигнуто заметное улучшение механических свойств образцов ШАПЭ+Т6 по сравнению со стандартными значениями ASTM для традиционных экструзионных изделий.

Изображения алюминиевого сплава 7075, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа до (А), во время (Б) и после (В) прохождения через машину ШАПЭ, показывают, как изменяется микроструктура сплава в процессе экструзии. Эффект сдвига машины ShAPE разбивает частицы на гораздо более мелкие кусочки, создавая более однородную микроструктуру. (Изображение Джошуа Сильверстайна | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория)