Post-weld heat treatment of AA7075 friction stir welded joints manufactured under various tool rotation speeds and cooling conditions

Immagina di cercare di incollare due pezzi di metallo, ma invece di usare la colla, usi uno strumento rotante che li sfrega finché non diventano caldi e morbidi abbastanza da fondersi. Questo è chiamato Friction Stir Welding (FSW), ed è un trucco preferito per unire l'alluminio, il metallo leggero usato per gli aeroplani e le lattine di soda. Il problema è che questo processo riscalda così tanto il metallo da rovinare i minuscoli, invisibili cristalli all'interno dell'alluminio che lo rendono resistente. È come prendere una libreria perfettamente organizzata e scuoterla finché tutti i libri non cadono in un mucchio disordinato. Per risolvere questo, gli scienziati spesso danno al metallo un "bagno" di calore chiamato Post-Weld Heat Treatment (PWHT). Pensa a questo come a un pulsante di reset che cerca di riorganizzare i cristalli e ripristinare la resistenza del metallo. Tuttavia, c'è un trucco: a volte, quando premi il pulsante di reset, i cristalli non si limitano a sistemarsi; crescono in cristalli giganti che possono effettivamente rendere il metallo più debole o fragile. Questo articolo esplora una specifica lega di alluminio (AA7075) per vedere se possiamo controllare questi cristalli giganti cambiando la velocità con cui lo strumento ruota e immergendo il metallo caldo in diversi liquidi come acqua o olio per raffreddarlo più velocemente.

I ricercatori dell'Università Militare di Tecnologia in Polonia hanno deciso di giocare al gioco del "e se" con questo alluminio. Hanno preso fogli di AA7075 e li hanno saldati insieme usando uno strumento rotante a diverse velocità, che andavano da una lenta 600 rotazioni al minuto (rpm) fino a una veloce 1400 rpm. Per vedere se la velocità di raffreddamento contava, non si sono limitati a lasciare il metallo nell'aria; hanno provato a saldare il metallo mentre era immerso in acqua, in olio di raffreddamento o in un fluido di raffreddamento speciale. Dopo la saldatura, hanno sottoposto ogni singolo giunto a un trattamento termico specifico: cuocere il metallo a 470°C per due ore e poi invecchiarlo a 120°C per 24 ore. Questo era il momento del "pulsante di reset".

I risultati sono stati un misto di buone notizie e una sorpresa testarda. In primo luogo, il trattamento termico ha fatto miracoli nel rendere il metallo più duro e resistente. Per i giunti che non avevano fori o crepe fin dall'inizio, il trattamento termico ha aumentato la capacità del metallo di resistere alla flessione (resistenza allo snervamento) di oltre il 70% e la sua capacità di spezzarsi prima di rompersi (resistenza alla trazione ultima) di circa il 35%. In effetti, i giunti riparati più forti erano persino più tenaci della foglia di alluminio originale non saldata. Il metallo che era stato saldato in aria e poi trattato termicamente è stato la vera star; non solo è diventato più forte, ma è anche diventato quasi due volte più elastico, spezzandosi al di fuori della zona di saldatura piuttosto che rompersi proprio nel mezzo.

Tuttamente, i ricercatori hanno scoperto che i loro piani meglio elaborati per fermare i "mostri dei cristalli giganti" (un fenomeno chiamato Abnormal Grain Growth, o AGG) non hanno funzionato del tutto. Indipendentemente dalla velocità con cui facevano ruotare lo strumento o dal fatto che usassero acqua, olio o aria per raffreddare il metallo, i cristalli giganti apparivano comunque nella parte superiore della saldatura (la zona guidata dalla spalla). In molti casi, hanno anche invaso la parte inferiore della saldatura (la zona guidata dal perno). Si scopre che semplicemente raffreddare il metallo più velocemente o far ruotare lo strumento più velocemente non è bastato a impedire a questi cristalli di crescere selvaggiamente durante il trattamento termico.

C'era anche un lato oscuro dell'esperimento. Quando i ricercatori hanno usato l'olio di raffreddamento, l'olio è rimasto intrappolato all'interno degli strati del metallo. Quando hanno cotto il metallo in seguito, l'olio intrappolato ha cercato di uscire, creando bolle e crepe che hanno rovinato il giunto. Questi giunti difettosi erano deboli e fragili, indipendentemente da quanto il trattamento termico cercasse di renderli forti. Allo stesso modo, quando facevano ruotare lo strumento troppo velocemente (1200 o 1400 rpm), il metallo sviluppava buchi e vuoti, che di nuovo rendevano il prodotto finale debole.

Quando hanno osservato come si rompeva il metallo, hanno visto una storia caotica. Il metallo non si limitava a spezzarsi pulitamente; mostrava un mix di rottura lungo i confini dei cristalli (frattura intergranulare) e strappi attraverso i cristalli stessi (frattura a cupole). A volte, piccole particelle all'interno del metallo agivano come piccoli ancoraggi che aiutavano a formare buchi, portando a una rottura. Lo studio suggerisce che, sebbene il trattamento termico renda il metallo più forte, non risolve il problema fondamentale di questi cristalli giganti che crescono, e non guarisce magicamente i buchi o le crepe create durante il processo di saldatura. La conclusione è che, sebbene possiamo rendere l'alluminio molto forte di nuovo, non abbiamo ancora trovato un modo semplice per impedire ai cristalli giganti di prendere il sopravvento sulla parte superiore della saldatura, e sicuramente non possiamo usare l'olio per raffreddare il metallo se vogliamo un giunto perfetto.