Primeira visualização 3D de um nanocompósito de alumínio para a indústria automobilística

A fabricação de carros com ligas de alumínio leves e resistentes, em vez de aço, poderia melhorar a eficiência de combustível e estender a autonomia dos veículos elétricos, mas a instabilidade do materials em altas temperaturas impediu que as ligas fossem amplamente adotadas.

A criação de pequenas partículas de reforço de carboneto de titânio (TiC) diretamente dentro do alumínio fundido resulta em um materials à base de alumínio mais forte e resistente à temperatura, chamado nanocompósito de matriz metálica.

Até o momento, os pesquisadores não entenderam como essas nanopartículas se formam ou como elas interagem com outras características da microestrutura, dificultando a produção do materials em escala industrial.

Pesquisadores da Universidade de Michigan usaram uma técnica única de raios X 3D de alta resolução para fornecer um primeiro vislumbre de como as nanopartículas se formam, onde estão localizadas e como facilitam a solidificação posterior do metallic fundido. Um artigo sobre o trabalho será Publicados na edição de setembro de Acta Materialia.

“A maioria dos metais começa sua vida útil no Estado líquido. A forma como eles se convertem de líquido para sólido determinará, em última análise, suas microestruturas e, portanto, suas propriedades e aplicações”, disse Ashwin Shahani, professor associado de ciência e engenharia de materiais e engenharia química na UM e coautor correspondente do estudo.

“O estudo nos permitiu entender exatamente como as nanopartículas interagem com as fases secundárias na fundição, o que tem sido um grande desafio no último meio século.”

Como as nanopartículas têm menos de 100 nanômetros, ou um décimo de milésimo de milímetro, os pesquisadores usaram uma poderosa técnica de imagem chamada nanotomografia de raios X baseada em síncrotron para visualizar a microestrutura metálica de forma não destrutiva em 3D — um feito não possível com abordagens de imagem convencionais.

Para obter as visualizações, os pesquisadores criaram um compósito de alumínio reforçado com carboneto de titânio (TiC). Isso envolveu uma reação assistida por fluxo na qual uma mistura de pó de carbono e sal contendo titânio reagiu com um fundido de alumínio.

As reconstruções 3D revelaram uma diversidade inesperada de alumineto de titânio (Al₃Ti) estruturas intermetálicas, incluindo uma que se formou diretamente em nanopartículas de TiC maiores que 200 nm de diâmetro. Nesse caso, o Al₃Os cristais de Ti cresceram em uma estrutura de placa ortogonal incomum. Enquanto isso, as nanopartículas de TiC menores que o limite de 200 nanômetros dividiram o Al₃Placas intermetálicas de Ti durante a solidificação, formando estruturas ramificadas.

Além das imagens, os pesquisadores usaram simulações de campo de fase para preencher “lacunas” espaço-temporais nos experimentos e propor um mecanismo para a formação de microestruturas.

“Agora temos evidências de que as nanopartículas se formam bem antes dos intermetálicos, e não o contrário, o que tem implicações importantes em relação à nucleação dos nanopartículas em primeiro lugar”, disse Shahani.

Com esses resultados em mãos, os parceiros da indústria agora podem orientar TiC e Al₃Formação de Ti na fabricação de compósitos de alumínio em grande escala — ajustando vias de solidificação ou químicas de ligas para atingir a microestrutura desejada e suas propriedades associadas.

“Sabemos há muito tempo que partículas nanométricas podem melhorar o desempenho de compósitos de matriz metálica, mas os materiais não podem ser produzidos em escala. Agora entendemos os mecanismos de formação que permitirão que nossos parceiros da indústria otimizem o processo para aplicações de redução de peso”, disse Alan Taub, professor de engenharia Robert H. Lurie e diretor do Electrical Car Heart na UM e coautor correspondente do estudo.