Per ulteriori informazioni, contattare Donald S. Parker, Kennedy Space Center, donald.s.parker@nasa.gov
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Processi di colata e fucinatura inadeguati nella produzione della lega di alluminio 2219 possono causare difetti microstrutturali che determinano una risposta non ottimale ai trattamenti superficiali anodici e un aumento della suscettibilità alla corrosione. Questo Bollettino tecnico comunica i rischi associati a una colata inadeguata e raccomanda, dopo la colata convenzionale a raffreddamento diretto, una fase di omogeneizzazione seguita da una deformazione multidirezionale, soprattutto per i getti di dimensioni maggiori. 09/24/26 DOC ID: 20260008373
**Contesto**
L’alluminio 2219 è una lega alluminio-rame sovrasatura, induribile per invecchiamento, sviluppata da Aluminum Company of America (Alcoa) nel 1954 per applicazioni fino a 600 °F. Numerose applicazioni aerospaziali comprendono i veicoli di lancio e spaziali, inclusi i serbatoi di combustibile dello Space Shuttle e i moduli pressurizzati con equipaggio della Stazione Spaziale Internazionale. La lega possiede eccellenti proprietà criogeniche, saldabilità, lavorabilità e proprietà meccaniche a basse e alte temperature [1].
**Descrizione del problema/questione**
La colata di lingotti in lega di alluminio 2219 è un processo specializzato utilizzato per fabbricare strutture di grandi dimensioni, che vengono successivamente forgiate o laminate fino a ottenere le forme finali del prodotto. I difetti interni del lingotto allo stato di colata possono comprendere dimensioni dei grani disparate, macrosegregazione degli elementi di lega e intermetallici ricchi di rame residui, disposti in bande e agglomerati; tali difetti possono determinare proprietà meccaniche e di corrosione insoddisfacenti, tra cui bassa duttilità, bassa resistenza e una distribuzione non uniforme delle proprietà del materiale nella forma finale del prodotto [2,11,12].
Questi difetti possono essere in parte attenuati mediante processi successivi alla colata, tra cui deformazione meccanica, trattamento di solubilizzazione, tempra e invecchiamento. Tuttavia, se i lingotti presentano già discontinuità non recuperabili, quali segregazione interdendritica, intermetallici grossolani di rame disposti in bande e agglomerati e dimensioni dei grani disparate, nessun successivo trattamento termomeccanico potrà porre rimedio alle carenze delle proprietà, soprattutto nel caso di lingotti di dimensioni maggiori.
**L’omogeneizzazione come fase essenziale**
L’omogeneizzazione dopo la colata migliora notevolmente le proprietà finali ottenute mediante le successive lavorazioni meccaniche. Gli studi dimostrano che le leggi della diffusione di Fick spingono gli atomi di rame altamente concentrati fuori dalle zone dei bordi interdendritici, distribuendoli uniformemente all’interno dei grani della matrice di alluminio; le fasi residue si dissolvono nella matrice e il grado di segregazione di tutti gli elementi si riduce drasticamente. I parametri del processo di omogeneizzazione devono essere ottimizzati in funzione dello spessore della sezione trasversale del lingotto, per garantire una risposta termica adeguata e uniforme. Wang et al., concentrandosi sull’omogeneizzazione, hanno utilizzato efficacemente una temperatura di 535 °C per 10 ore [3].
Le variabili da ottimizzare nell’omogeneizzazione comprendono il punto di fusione, la quantità e la velocità di dissoluzione della fase eutettica, le dimensioni del lingotto, le dimensioni dei grani e il contenuto di rame. Diversi ricercatori hanno dimostrato che strumenti quali la diffrazione a raggi X (XRD) o la calorimetria differenziale a scansione (DSC) sono preziosi per definire e verificare la fase di omogeneizzazione [3,4,5,6,7,8,9]. Il miglioramento della microstruttura e delle proprietà meccaniche dell’alluminio 2219 omogeneizzato è ben documentato. Le immagini ottenute al microscopio elettronico a scansione (SEM) da uno studio che ha esaminato l’alluminio 2219 con quantità variabili di rame mostrano il cambiamento nella morfologia dei bordi dei grani dopo l’omogeneizzazione nella Figura 1.
La tabella seguente elenca i risultati di Wang et al., che hanno esaminato campioni di 2219 non omogeneizzati e omogeneizzati, forgiati e sottoposti al trattamento termico T6. Il 2219 omogeneizzato è chiaramente superiore [3].
**Deformazione termomeccanica**
È stato dimostrato che la deformazione meccanica, come la forgiatura — in particolare la forgiatura a ricalcamento — e la laminazione, seguite da trattamento di solubilizzazione e invecchiamento, migliorano drasticamente la microstruttura dell’alluminio 2219, creando particelle di Al2Cu più piccole e ben distribuite e grani significativamente più piccoli, con conseguente miglioramento delle proprietà meccaniche e riduzione della loro anisotropia. In uno dei numerosi studi, sono state ottenute proprietà meccaniche e microstrutturali superiori mediante forgiatura multidirezionale a temperatura più elevata, a 510 °C, seguita da laminazione tiepida a 240 °C.
La forgiatura a ricalcamento e la laminazione, seguite da trattamento di solubilizzazione e invecchiamento, hanno portato a una riduzione significativa della frazione areica delle particelle grossolane di Al2Cu (dal 5,5% all’1,0%) grazie alla loro dissoluzione nella matrice. Le dimensioni dei grani sono state ridotte (da 230 micrometri a 58,6 micrometri) attraverso l’aumento dell’energia immagazzinata e la nucleazione derivanti dalla laminazione a temperatura più bassa. Infine, la fase θ’ uniformemente distribuita è aumentata del 118%. Questi cambiamenti nella microstruttura hanno determinato un miglioramento della resistenza, dell’allungamento e delle proprietà di frattura [10].
**Raccomandazioni/indicazioni**
L’omogeneizzazione dopo la colata convenzionale a raffreddamento diretto è indispensabile per ottimizzare le proprietà finali dell’alluminio 2219 e dovrebbe essere inclusa esplicitamente nelle specifiche di approvvigionamento. Si raccomanda inoltre di verificare l’efficacia della fase di omogeneizzazione; tale verifica potrebbe comprendere micrografie prima e dopo il trattamento, oppure misurazioni DSC o XRD. Le micrografie iniziali sono utili per verificare la qualità elevata del lingotto. Anche la deformazione multidirezionale è importante per favorire la frattura delle particelle grossolane, la distribuzione delle fasi di Al2Cu e delle fasi intermetalliche, la ricristallizzazione e la nucleazione di nuovi grani, con conseguente miglioramento delle proprietà meccaniche.
**Riferimenti**
1. NASA-CR-74545
2. NASA-CR-123777
3. Wang et al., *Materials* 2018, 11, 914.
4. Chen et al., *Metals* 2020, 10, 197.
5. Zhang et al., *Journal of Materials Research and Technology* 2023, 27, 7470.
6. Gupta et al., *Canadian Metallurgical Quarterly*, 2006, 45, n. 3.
7. Xu et al., *Metals* 2021, 11, 174.
8. Zhang et al., *Advanced Engineering Materials* 2024, 26.
9. Lin et al., *Materials* 2023, 16, 433.
10. Zhang et al., *Journal of Materials Research and Technology* 2023, 22, 1136.
11. NASA-TM-20230018439
12. NASA-TM-20240000329
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Fonte originale: nasa.gov
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