Microscopische kristallen in gesmolten metalen groeien en veranderen van vorm wanneer ze afkoelen. Door dit te beïnvloeden kan de treksterkte van legeringen worden verbeterd. Dit opent mogelijkheden voor sterkere legeringen die gebruikt kunnen worden bij gieten en lassen. Daarover publiceert de School of Metallurgy and Materials van de Universiteit van Birmingham.
Wanneer de legering aluminium-koper Al-45wt%Cu afkoelt, zijn bij het stollingsproces 2 groeipatronen te onderscheiden. Het gaat om basisbouwsteentjes en dendrieten.
De basisbouwsteentjes, langwerpige staafjes die niet groter zijn dan enkele micometers, bouwen laag voor laag op. Ze beginnen L-vormig maar naarmate ze verder afkoelen veranderen ze van vorm en worden het U-vormen en later zelfs holle rechthoekjes.
Sommige van die eenheden stapelen zich op elkaar om dendrieten te vormen. De dendrieten vertakken zich in facetvorm als kleine Al2Cu-kristallen.
Groeipatronen zijn te beïnvloeden
De groeirichting en de morfologie van deze patronen worden sterk beïnvloed door de stollingsomstandigheden. Het gaat dan om temperatuurgradiënten, afkoelsnelheden en externe magnetische velden.
Ook werd ontdekt dat bij het roteren van Al-45wt%Cu tijdens het naar boven gericht stollen, onder een transversaal magneetveld van 0,5T, zeer verfijnde en goed uitgelijnde Al2Cu intermetallische verbindingen konden worden verkregen. Deze worden veel fijner dan zonder een magneetveld zouden ontstaan.
Dit wordt toegeschreven aan de roterende roerstroom die de temperatuur en de verdeling van de opgeloste stoffen moduleert en reguleert.
De ontwikkelde experimentele bevindingen verschaffen een fysisch begrip van de vorming van gefacetteerde intermetallische verbindingen tijdens het stollen.
Onderzoek in 4D
De onderzoekers kwamen hier achter door gebruik te maken van hogesnelheid-synchrotron röntgen-tomografie in 4D (3D en tijd als vierde factor). De veranderende kristalstructuren in gesmolten legeringen werden zo ‘gefotografeerd’ wanneer zij afkoelen.
De studie werd geleid door Dr. Biao Cai, van de School of Metallurgy and Materials van de Universiteit van Birmingham.
Vorm van kristallen bepalen sterkte
“De bevindingen geven een werkelijk inzicht in wat er op microniveau gebeurt wanneer een legering afkoelt. Ook toont het de vorm van de basisbouwstenen van kristallen in gesmolten legeringen”, vertelt Cai.
“De vorm van de kristallen bepaalt de sterkte van de uiteindelijke legering. Als we legeringen met fijnere kristallen kunnen maken, leidt dit tot sterkere legeringen.”
De nieuwe resultaten staan volgens hem in contrast met de klassieke kijk op dendrietvorming in afkoelende legeringen. “Ze openen deuren naar het ontwikkelen van nieuwe benaderingen die de vorming van intermetallische kristallen kunnen voorspellen en controleren.”
Magneten verbeteren ook kwaliteit gerecycled aluminium
In eerder onderzoek heeft Cai al aangetoond hoe magnetische velden de groei van kristallen beïnvloeden. Dat heeft geresulteerd in een nieuwe technologie om de kwaliteit van gerecycled aluminium te verbeteren. Met mageneten en een temperatuurgradiënt kon, in een relatief eenvoudig en goedkoop proces, ijzer uit de gesmolten legering verwijderd worden.
Voor deze technologie is octrooi aangevraagd door University of Birmingham Enterprise. Met een financiering heeft Biao een prototype op grote schaal kunnen bouwen dat gebruikmaakt van een 1 Tesla-magneet en werkt tot 1000˚C.
Het prototype wordt momenteel getest met staven gegoten materiaal die worden geleverd door de Tandom Metallurgical Group. Zij produceren aluminiumlegeringen en masterlegeringen en recyclen aluminiumproducten, schroot en dross.
Voor eind 2022 demonstratiemodel
Cai verwacht de resultaten van de tests te kunnen publiceren en het demonstratiemodel vóór het eind van het jaar aan de industrie te kunnen demonstreren. Zo wil hij industriële partners vinden die bereid zijn tests uit te voeren in gieterij-omgevingen in combinatie met bestaande productielijnen.
De resultaten van het nieuwe onderzoek zijn gepubliceerd in Acta Materialia.