Estudo do refino microestrutural de alumínio puro e ligas Al-Cu utilizando nanopartículas cerâmicas incorporadas via portadores processados por colagem de barbotina

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2020.O presente trabalho objetiva a análise do efeito de refino microestrutural de nanopartículas cerâmicas (Al2O3, SiO2, TiO2 e ZrO2) introduzidas via portadores com matriz metálica (no caso o cobre) obtidos por processamento coloidal e adicionados em alumínio puro. Também é analisada a efetividade desta técnica na adição de cobre como elemento de liga no alumínio, formando ligas Al-Cu hipoeutéticas. Para tanto foram preparados portadores destas nanopartículas com matriz metálica (liga alumínio-cobre), os quais foram introduzidos diretamente no metal fundido. Os portadores são constituídos de partículas micrométricas de alumínio e cobre e as nanopartículas foram incorporadas nos portadores via colagem de barbotina. Esta técnica de processamento, é inovadora no que concerne à aplicação em metais e consiste na preparação de uma suspensão aquosa de partículas metálicas onde é feita a dispersão das nanopartículas cerâmicas. Tal técnica visa facilitar a desaglomeração do pó cerâmico. Posteriormente o componente colado foi submetido a moagem de alta energia, para homogeneização da mistura e fragmentação de partículas), seguida de compactação e sinterização, para posterior adição ao banho de alumínio fundido. A utilização das nanopartículas como agentes nucleantes visa o aumento do número de sítios de nucleação por unidade de volume, e possivelmente do número de núcleos de solidificação, além de servirem como elementos segregantes que restringem o crescimento da frente de solidificação, o que leva a um refino mais eficaz da estrutura de grãos do material. As amostras Al-22,1Cu inoculadas com 0,1% em peso de TiO2 apresentaram refino de grão significante, que é melhorado com o aumento do tempo de permanência no banho de 10 para 20 minutos. Os tamanhos de grão em média diminuíram de 0,66mm para 0,40mm, respectivamente. Como as ligas Al-Cu hipoeutéticas formadas excedem o limite de solubilidade do cobre no alumínio (5,6%), o refino pode ser atribuído à adição de TiO2. Os espaçamentos interdendríticos secundários obtidos, de 56,63±8,74µm e 56,26±5,47µm para as ligas Al-13,88Cu inoculada com SiO2 e Al-22,1Cu respectivamente, se mostraram levemente menores que o de uma liga Al-Cu hipoeutética presente na literatura. Adicionalmente, as microestruturas obtidas para as mesmas ligas se mostraram semelhantes a ligas Al-Cu também encontradas na literatura, sugerindo que a introdução de cobre como elemento de liga via processo coloidal dos portadores de nanopartículas é eficaz.Abstract: The present work aims to analyze the microstructural refining effect of ceramic nanoparticles (Al2O3, SiO2, TiO2 and ZrO2) introduced via metal matrix carriers (in this case copper) obtained by colloidal processing and added in pure aluminum. The effectiveness of this technique in the addition of copper as an alloying element in aluminum, forming hypoeutetic Al-Cu alloys, is also analyzed. For this purpose, carriers of these metal matrix nanoparticles (aluminum-copper alloy) were prepared and introduced directly into the molten metal. The carriers are made up of aluminum and copper micrometer particles and the nanoparticles were incorporated into the carriers via slip casting. This processing technique is innovative in its application to metals and consists in the preparation of an aqueous suspension of metallic particles where the ceramic nanoparticles are dispersed. Such technique aims to facilitate the deagglomeration of the ceramic powder. Subsequently, the bonded component was subjected to high-energy grinding, for homogenization of the mixture and fragmentation of particles), followed by compaction and sintering, for subsequent addition to the cast aluminum bath. The use of nanoparticles as nucleating agents aims at increasing the number of nucleation sites per unit volume, and possibly the number of solidification nuclei, as well as serving as segregating elements that restrict the growth of the solidification front, leading to a more effective refining of the grain structure of the material. The Al-22.1Cu samples inoculated with 0.1% by weight of TiO2 showed significant grain refining, which is improved by increasing the holding time from 10 to 20 minutes. Grain sizes on average decreased from 0.66mm to 0.40mm, respectively. As the hypoeutectic Al-Cu alloys formed exceed the copper solubility limit in aluminum (5.6%), refining can be attributed to the addition of TiO2. The secondary interdendritic spacings obtained, of 56.63 ± 8.74µm and 56.26 ± 5.47µm for the Al-13,88Cu alloys inoculated with SiO2 and Al-221Cu respectively, were slightly smaller than that of an Al-Cu Hypoeutectic alloy present in the literature. In addition, the microstructures obtained for the same alloys were found to be similar to the Al-Cu alloys also found in the literature, suggesting that the introduction of copper as an alloying element via the colloidal process of nanoparticle carriers is effective