Orientação sobre materiais de liga de alumínio 2219 TB 26-07

Para obter mais informações, entre em contato com Donald S. Parker, Centro Espacial Kennedy, donald.s.parker@nasa.gov

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Processos inadequados de fundição e forjamento na fabricação da liga de alumínio 2219 podem levar a defeitos microestruturais que resultam em uma resposta abaixo do ideal aos tratamentos de superfície anódica e em um aumento na suscetibilidade à corrosão. Este Boletim Técnico comunica os riscos de fundição inadequada e recomenda uma etapa de homogeneização seguida de deformação multidirecional após fundição convencional por resfriamento direto, especialmente para peças fundidas maiores. 24/09/26 ID DO DOC: 20260008373

Fundo
O alumínio 2219 é uma liga de alumínio-cobre supersaturada, endurecível pelo envelhecimento, desenvolvida pela Aluminum Company of America (Alcoa) em 1954, para serviços em até 600 °F. Numerosas aplicações aeroespaciais incluem veículos de lançamento e espaciais, incluindo tanques de combustível de ônibus espaciais e módulos pressurizados com classificação humana da Estação Espacial Internacional. Possui excelentes propriedades criogênicas, soldabilidade, trabalhabilidade e propriedades mecânicas em baixas e altas temperaturas (1).

Descrição do problema/problema
A fundição de lingotes de liga de alumínio 2219 é um processo especializado usado para fabricar estruturas em grande escala que são posteriormente forjadas ou laminadas em formas de produto final. Os defeitos internos do lingote fundido podem incluir tamanhos de grãos díspares, macrossegregação de elementos de liga e intermetálicos residuais ricos em cobre em faixas e agrupados, 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 do produto final. (2,11,12)

Esses defeitos podem ser atenuados de alguma forma com processos pós-fundição, incluindo deformação mecânica, tratamento de solução, têmpera e envelhecimento. No entanto, se os lingotes já possuírem descontinuidades irrecuperáveis, como segregação interdendrítica, grandes intermetálicos de cobre em faixas e agrupados e tamanhos de grãos díspares, nenhum processamento termomecânico subsequente irá remediar as deficiências nas propriedades, especialmente para tamanhos de lingotes maiores.

Homogeneização como etapa essencial
A homogeneização após a fundição melhora muito o processamento mecânico subsequente das propriedades finais. Estudos mostram que as leis de difusão de Fick expulsam os átomos de cobre altamente concentrados das zonas limite interdendríticas, 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 reduz drasticamente. Os parâmetros de processamento de homogeneização precisam ser otimizados para a espessura da seção transversal do lingote para garantir uma resposta térmica adequada e uniforme. Wang et al., que se concentraram na homogeneização, utilizaram efetivamente 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 Diferencial de Varredura (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 homogeneizado 2219 está bem documentada. Imagens de microscópio eletrônico de varredura (MEV) de um estudo que examinou o alumínio 2219 com quantidades variadas de cobre mostram mudanças na morfologia dos limites dos grãos após a homogeneização na Figura 1.

A tabela abaixo lista os resultados de Wang et al. que examinou 2219 não homogeneizados e homogeneizados, que foram forjados e tratados ao temperamento T6. O 2219 homogeneizado é claramente superior (3).

Deformação termomecânica Deformação mecânica, como forjamento – especificamente, forjamento recortado – e laminação, seguida de tratamento de solução e envelhecimento, demonstrou melhorar drasticamente a microestrutura do alumínio 2219, criando partículas de Al2Cu de tamanho menor e 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 de temperatura mais alta a 510 °C seguido de laminação a quente a 240 °C.

O forjamento e laminação perturbados seguidos de tratamento de solução e envelhecimento levaram a uma redução significativa da fração de área de partículas grossas de Al2Cu (5,5% a 1,0%) devido à dissolução na matriz. O tamanho do grão foi reduzido (230 micrômetros para 58,6 micrômetros) através do aumento da energia de armazenamento e nucleação da laminação a temperatura mais baixa. Por último, 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 convencional por resfriamento direto é imperativa 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 pode incluir micrografias antes e depois, medições 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 do Al2Cu e nas fases intermetálicas, na recristalização e na nucleação de novos grãos, levando a melhores propriedades mecânicas.

Referências
1. NASA-CR-74545

2. NASA-CR-123777

3. Wang et al., Materiais 2018, 11, 914.

4. Chen et al., Metais 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, No.

7. Xu et al., Metais 2021, 11, 174.

8. Zhang et al., Materiais de Engenharia Avançados, 2024, 26.

9. Lin et al., Materiais 2023, 16, 433.

10. Zhang et al., Journal of Materials Research and Technology 2023, 22, 1136.

11. NASA-TM-20230018439 12. NASA-TM-20240000329