Para mais informações, entre em contato com Donald S. Parker, Kennedy Space Center, [email protected]
Processos inadequados de fundição e forjamento na fabricação da liga de alumínio 2219 podem levar a defeitos microestruturais que resultam em uma resposta subótima aos tratamentos anódicos de superfície e a um aumento na suscetibilidade à corrosão. Este Boletim Técnico comunica os riscos da fundição inadequada e recomenda uma etapa de homogeneização seguida de deformação multidirecional após a fundição contínua convencional (direct chill), especialmente para peças fundidas maiores. 09/24/26 DOC ID: 20260008373
Contexto O alumínio 2219 é uma liga de alumínio-cobre endurecível por envelhecimento, supersaturada, desenvolvida pela Aluminum Company of America (Alcoa) em 1954, para uso em até 600 °F. Numerosas aplicações aeroespaciais incluem veículos de lançamento e espaciais, incluindo os tanques de combustível do ônibus espacial e os módulos pressurizados habitados da Estação Espacial Internacional. Possui excelentes propriedades criogênicas, soldabilidade, trabalhabilidade e propriedades mecânicas em baixas e altas temperaturas [1].
Descrição do Problema/Questão A fundição de lingotes da liga de alumínio 2219 é um processo especializado usado para fabricar estruturas de grande escala que são posteriormente forjadas ou laminadas em formas de produto final. Os defeitos internos do lingote bruto de fundição podem incluir tamanhos de grão díspares, macrossegregação de elementos de liga, e intermetálicos ricos em cobre residuais em bandas e aglomerados, o que pode levar a propriedades mecânicas e de corrosão insatisfatórias, incluindo baixa ductilidade, baixa resistência e uma distribuição não uniforme das propriedades do material na forma final do produto. [2,11,12]
Esses defeitos podem ser um tanto mitigados com processos pós-fundição, incluindo deformação mecânica, tratamento de solubilização, têmpera e envelhecimento. Entretanto, se os lingotes já possuírem descontinuidades irrecuperáveis, como segregação interdendrítica, grandes intermetálicos de cobre em bandas e aglomerados, e tamanhos de grão díspares, nenhum processamento termomecânico subsequente corrigirá as deficiências nas propriedades, especialmente para tamanhos de lingote maiores.
Homogeneização como Etapa Essencial A homogeneização após a fundição melhora muito as propriedades finais no processamento mecânico subsequente. Estudos mostram que as leis de difusão de Fick impulsionam os átomos de cobre altamente concentrados para fora das zonas de contorno interdendrítico, distribuindo-os uniformemente pelos grãos da matriz de alumínio; as fases residuais são dissolvidas na matriz, e o grau de segregação de todos os elementos se reduz drasticamente. Os parâmetros de processamento de homogeneização precisam ser otimizados para a espessura da seção transversal do lingote, a fim de garantir uma resposta térmica adequada e uniforme. Wang et al., que se concentraram na homogeneização, utilizaram efetivamente uma temperatura e tempo de 535 °C por 10 horas [3].
As variáveis de otimização da homogeneização incluem o ponto de fusão, a quantidade e a taxa de dissolução da fase eutética, o tamanho do lingote, o tamanho do grão e o teor de cobre. Vários pesquisadores demonstraram que ferramentas como Difração de Raios X (XRD) ou Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) são ferramentas valiosas para definir e verificar a etapa de homogeneização [3,4,5,6,7,8,9]. A melhoria da microestrutura e das propriedades mecânicas do alumínio 2219 homogeneizado está bem documentada. Imagens de Microscópio Eletrônico de Varredura (SEM) de um estudo que examina o alumínio 2219 com quantidades variáveis de cobre mostram a mudança na morfologia dos contornos de grão após a homogeneização na Figura 1.
A tabela abaixo lista os resultados de Wang et al., que examinaram o 2219 não homogeneizado e homogeneizado, que foram forjados e tratados para o têmpera T6. O 2219 homogeneizado é claramente superior [3].
Deformação Termomecânica A deformação mecânica, como o forjamento , especificamente, o forjamento por recalque , e a laminação, seguidos de tratamento de solubilização e envelhecimento, demonstraram melhorar drasticamente a microestrutura do alumínio 2219, criando partículas de Al2Cu de tamanho menor bem distribuídas e grãos significativamente menores, levando a propriedades mecânicas melhoradas e menos anisotrópicas. Em um exemplo de muitos estudos, propriedades mecânicas e microestruturais superiores foram desenvolvidas com um forjamento multidirecional em temperatura mais alta a 510 °C, seguido de laminação a quente a 240 °C.
O forjamento por recalque e a laminação, seguidos de tratamento de solubilização e envelhecimento, levaram a uma fração de área significativamente reduzida de partículas grossas de Al2Cu (5.5% para 1.0%) devido à dissolução na matriz. O tamanho do grão foi reduzido (230 micrômetros para 58.6 micrômetros) por meio do aumento da energia armazenada e da nucleação decorrente da laminação em temperatura mais baixa. Por fim, uma fase θ' uniformemente distribuída foi aumentada em 118%. Essas mudanças na microestrutura levaram a melhores propriedades de resistência, alongamento e fratura [10].
Recomendação/Orientação A homogeneização após a fundição contínua convencional (direct chill) é imprescindível para otimizar as propriedades finais do alumínio 2219 e deve ser explicitamente incluída nas especificações de aquisição. Além disso, a verificação da eficácia da etapa de homogeneização também é recomendada e poderia incluir micrografias antes e depois, medições de DSC ou XRD. As micrografias iniciais são úteis para verificar um lingote de alta qualidade. A deformação multidirecional também é importante para auxiliar na fratura de partículas grossas, na distribuição das fases Al2Cu e intermetálicas, na recristalização e na nucleação de novos grãos, levando a propriedades mecânicas melhoradas.
Referências 1. NASA-CR-74545
- NASA-CR-123777
- Wang et al., Materials 2018, 11, 914.
- Chen et al., Metals 2020, 10, 197.
- Zhang et al., Journal of Materials Research and Technology 2023, 27, 7470.
- Gupta et al., Canadian Metallurgical Quarterly, 2006, 45, No. 3.
- Xu et al., Metals 2021, 11, 174.
- Zhang et al., Advanced Engineering Materials, 2024, 26.
- Lin et al., Materials 2023, 16, 433.
- Zhang et al., Journal of Materials Research and Technology 2023, 22, 1136.
- NASA-TM-20230018439 12. NASA-TM-20240000329
Fonte original: nasa.gov
