TARDEC s'est associé au PNNL - qui avait précédemment développé des techniques d'assemblage de matériaux uniques pour l'industrie automobile - pour développer la friction à queue d'aronde. Ces techniques précédentes comprenaient le soudage par friction-agitation pour joindre des métaux similaires d'épaisseur différente, et grattoir à friction, qui joint des feuilles minces de matériaux sensiblement différents, comme l'aluminium et l'acier.

Alors que Friction Stir Scribe a résolu le défi d'assembler de fines feuilles d'aluminium avec de l'acier, cette technique s'est avérée ne pas s'adapter aux épaisses plaques d'aluminium - mesurées en pouces - nécessaires pour les véhicules militaires robustes.

Une technique qui s'harmonise bien avec l'aluminium et l'acier

En menuiserie, des queues d'aronde et de la colle sont utilisées pour assembler solidement des morceaux de bois. Friction Stir Dovetailing est une approche similaire pour les métaux. À l'aide d'un outil spécialement conçu, l'aluminium est déformé dans une rainure en queue d'aronde en acier pour former un verrouillage mécanique. À la fois, l'outil frotte le long du bas de la queue d'aronde pour former une fine liaison métallurgique - ou composé intermétallique - qui "colle" les métaux ensemble dans la queue d'aronde.

"La combinaison de l'emboîtement mécanique et de la liaison métallurgique formée au cours d'un seul processus est l'innovation qui produit des joints d'une résistance et d'une ductilité supérieures par rapport aux joints créés par les autres méthodes d'agitation par friction, " a déclaré l'ingénieur du PNNL Scott Whalen, qui dirige la recherche.

L'équipe de recherche a découvert que l'utilisation de commandes de machines complexes pour réguler avec précision la température et la pression à l'interface aluminium-acier inhibait la croissance des composés intermétalliques. Ces composés s'épaississent et de manière non uniforme au cours des autres techniques d'agitation par friction, provoquant une fragilité et une défaillance des articulations. Cependant, la croissance de composés intermétalliques - aluminure de fer ou Fe3Al - pendant la technique Friction Stir Dovetailing est bénéfique pour le joint car ils sont si minces, mille fois plus fin qu'un cheveu humain, qui agit comme "colle" sans provoquer de fragilisation.

"Des composés intermétalliques se formeront entre l'aluminium et l'acier au cours de toutes les techniques d'agitation par friction dans le cadre du processus de chauffage, ", a déclaré Whalen. "Nous avons découvert que la queue d'aronde par agitation par friction inhibe la prolifération des composés intermétalliques parce que la température et la pression sont beaucoup plus basses que les autres approches d'agitation par friction."

Les tests en laboratoire des joints réalisés par Friction Stir Dovetailing ont montré qu'en combinant la liaison métallurgique avec la configuration en queue d'aronde, la force commune n'est pas seulement supérieure, mais le matériau peut s'étirer jusqu'à plus d'un demi-centimètre avant que le joint ne se brise - illustrant une ductilité cinq fois supérieure à celle de l'aluminium et de l'acier assemblés avec d'autres techniques d'agitation par friction. Cela permet à l'articulation de « céder » ou de se déplacer plus loin avant la rupture - une caractéristique intéressante pour les véhicules de combat militaires.

"Nous sommes constamment à la recherche de méthodes d'assemblage multi-matériaux innovantes pour nous aider à sélectionner le bon matériau pour le bon usage au bon endroit, et Friction Stir Dovetailing nous offre précisément une telle méthode de pointe, " a déclaré Jason Middleton, Directeur associé TARDEC pour l'ingénierie du cycle de vie des produits.

L'équipe de recherche prévoit maintenant d'affiner la technique et d'étendre le processus à d'autres configurations articulaires. En plus de l'aluminium et de l'acier, d'autres combinaisons de matériaux telles que l'aluminium au cuivre, aluminium en magnésium, et le magnésium à l'acier peuvent également être joints en utilisant Friction Stir Dovetailing.

Et tandis que Friction Stir Dovetailing aidera à résoudre le défi de la consommation de carburant pour TARDEC, il est également disponible pour des licences pour d'autres applications potentielles ainsi que pour des opportunités de recherche collaborative via la responsable de la commercialisation du PNNL, Sara Hunt.