Desenvolvimento e validação de um sistema GISS-squeeze casting aplicado na liga de alumínio A380

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Castañeira Armero, José Alejandro
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Ponta Grossa
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38316
Resumo: Aluminum alloys are widely used in the automotive, aerospace, electronics, and medical industries because of their strength, light weight, and recyclability. To enhance the properties of these alloys, the technology of semisolid metal processing is one of the most widely used and researched methods worldwide. One of the advantages of this process is the ability to reduce surface defects, shrinkage, and porosity compared to conventional casting processes. An innovative alternative has been the use of the Gas-Induced Semisolid (GISS) process, which involves re-melting the material in the semisolid state using inert gas bubbles to stir the material during the solidification process. The GISS-Squeeze Casting process combines the GISS process to obtain the material in the semisolid state, followed by squeeze casting, which provides better mechanical properties compared to conventional compression casting. Studies on the GISS process have primarily focused on the A356 alloy, showing significant improvements in microstructure and mechanical properties. However, the application of the GISS process to the A380 alloy has been less investigated, and the combination of this process with compression casting has been even less analyzed due to the technical challenges that require precise control. This dissertation aims to develop and evaluate, through the analysis of microstructure and mechanical properties, a GISSsqueeze casting system applied to the A380 aluminum alloy. During the GSC process, the alloy was melted and heated to 630°C, and then slowly cooled to 610°C. The porous graphite diffuser was quickly immersed, introducing fine argon gas bubbles at a flow rate of 12 L/min for 15 seconds (approximately 10% solid fraction). The diffuser was then quickly removed, and 69 g of material was poured into a cylindrical H13 steel mold preheated to 200°C. Subsequently, a pressure was applied for 30 seconds, resulting in a conical cup. The samples were cut, polished, and electrolytically etched with a 4% HBF₄ solution for 70 seconds, then analyzed under optical microscopy and subjected to hardness and porosity tests. The results showed that the GISS process is sensitive to changes in operational parameters. Increasing the argon injection time improves the spheroidization of the microstructure up to 25 seconds, achieving a 54% reduction in porosity. However, longer injection times lead to particle coalescence and further reduce porosity. Raising the argon flow rate decreases the grain size and also enhances hardness, making it a key parameter for controlling porosity in the process. The addition of refiners and modifiers such as Al5Ti1B + Sr does not improve the performance of the GISS process in grain refinement. For an initial temperature of 610 °C, a flow rate of 12 L/min, and an injection time of 19 seconds, a grain size reduction of 62.8% is observed compared to the as-cast condition. The use of the GSC process reduced porosity by 61.5% when compared to the SC process in the as-cast condition, by 70.6% with the addition of Al5Ti1B + Sr, and by 78.1% compared to the isolated application of GISS.
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An innovative alternative has been the use of the Gas-Induced Semisolid (GISS) process, which involves re-melting the material in the semisolid state using inert gas bubbles to stir the material during the solidification process. The GISS-Squeeze Casting process combines the GISS process to obtain the material in the semisolid state, followed by squeeze casting, which provides better mechanical properties compared to conventional compression casting. Studies on the GISS process have primarily focused on the A356 alloy, showing significant improvements in microstructure and mechanical properties. However, the application of the GISS process to the A380 alloy has been less investigated, and the combination of this process with compression casting has been even less analyzed due to the technical challenges that require precise control. This dissertation aims to develop and evaluate, through the analysis of microstructure and mechanical properties, a GISSsqueeze casting system applied to the A380 aluminum alloy. During the GSC process, the alloy was melted and heated to 630°C, and then slowly cooled to 610°C. The porous graphite diffuser was quickly immersed, introducing fine argon gas bubbles at a flow rate of 12 L/min for 15 seconds (approximately 10% solid fraction). The diffuser was then quickly removed, and 69 g of material was poured into a cylindrical H13 steel mold preheated to 200°C. Subsequently, a pressure was applied for 30 seconds, resulting in a conical cup. The samples were cut, polished, and electrolytically etched with a 4% HBF₄ solution for 70 seconds, then analyzed under optical microscopy and subjected to hardness and porosity tests. The results showed that the GISS process is sensitive to changes in operational parameters. Increasing the argon injection time improves the spheroidization of the microstructure up to 25 seconds, achieving a 54% reduction in porosity. However, longer injection times lead to particle coalescence and further reduce porosity. Raising the argon flow rate decreases the grain size and also enhances hardness, making it a key parameter for controlling porosity in the process. The addition of refiners and modifiers such as Al5Ti1B + Sr does not improve the performance of the GISS process in grain refinement. For an initial temperature of 610 °C, a flow rate of 12 L/min, and an injection time of 19 seconds, a grain size reduction of 62.8% is observed compared to the as-cast condition. The use of the GSC process reduced porosity by 61.5% when compared to the SC process in the as-cast condition, by 70.6% with the addition of Al5Ti1B + Sr, and by 78.1% compared to the isolated application of GISS.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)As ligas de alumínio são amplamente empregadas nos setores automotivo, aeroespacial, eletrônico e médico, devido à sua resistência, leveza e reciclabilidade. Para aprimorar as propriedades dessas ligas, a tecnologia de processamento de metais em estado semissólido é um dos processos mais utilizados e pesquisados mundialmente. Uma das vantagens desse processo é a possibilidade de reduzir defeitos superficiais, contrações e porosidades. Uma alternativa inovadora tem sido o uso do processo semissólido induzido por gás (GISS), que se baseia na refusão do material no estado semissólido, utilizando bolhas de gás inerte para agitar o material durante o processo de solidificação. O processo GISS-squeeze casting combina o processo GISS para obter o material no estado semissólido, seguido da fundição por compressão, o que confere melhores propriedades mecânicas. Os estudos sobre o processo GISS têm se concentrado principalmente na liga A356, demonstrando melhorias significativas na microestrutura e nas propriedades mecânicas. No entanto, a aplicação do processo GISS na liga A380 tem sido menos investigada, e a combinação desse processo com a fundição por compressão foi ainda menos analisada, devido aos desafios técnicos que requerem seu controle. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver e avaliar, por meio da análise da microestrutura e das propriedades mecânicas, um sistema GISS-squeeze casting aplicado na liga de alumínio A380. Durante o processo GSC, a liga foi fundida e aquecida a 630°C, sendo posteriormente resfriada lentamente até 610°C. O difusor de grafite poroso foi rapidamente imerso, introduzindo bolhas finas de gás argônio a uma taxa de fluxo de 12 L/min por 19 segundos (aproximadamente 10% fs). O difusor foi então rapidamente removido, e 69 g de material foram vertidos em uma matriz cilíndrica de aço H13 préaquecida a 200°C. Em seguida, foi aplicada uma pressão de 30 segundos, resultando em um copo cônico. As amostras foram cortadas, polidas e atacadas eletroliticamente com uma solução com 4% de HBF₄ por 70 segundos, sendo então analisadas sob microscopia ótica e submetidas a testes de dureza e porosidade. Os resultados mostraram que o processo GISS se revelou sensível à variação dos parâmetros operacionais. O aumento do tempo de injeção de argônio favorece a globularização da microestrutura até 25 s, conseguindo uma redução de 54% na porosidade; tempos superiores iniciam a coalescência entre as partículas e diminuem a porosidade. O aumento do fluxo de argônio promove a redução do tamanho de grão e, de igual forma, favorece o aumento da dureza, sendo um parâmetro crucial no controle da porosidade no processo. A adição de refinadores e modificadores como Al5Ti1B + Sr não favorece o desempenho do processo GISS no refino de grão. Para a temperatura inicial de 610 °C, um fluxo de 12 L/min e tempo de injeção de 19 s, observa-se uma diminuição do tamanho de grão de 62,8% em comparação com a condição como fundida. O emprego do processo GSC reduziu a porosidade em 61,5% quando comparado ao processo SC na condição como fundida, em 70,6% com a adição de Al5Ti1B + Sr e uma redução de 78,1% em relação à aplicação isolada do GISS.Universidade Tecnológica Federal do ParanáPonta GrossaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUTFPRLourençato, Luciano Augustohttps://orcid.org/0000-0001-8134-1314https://lattes.cnpq.br/3421117431876101Carvajal Fals, Hipolito Domingohttps://orcid.org/0000-0001-5061-8763https://lattes.cnpq.br/8883136649448444Lourençato, Luciano Augustohttps://orcid.org/0000-0001-8134-1314https://lattes.cnpq.br/3421117431876101Pukasiewicz, Anderson Geraldo Marendahttps://orcid.org/0000-0002-1108-7151https://lattes.cnpq.br/8067497377630922Zoqui, Eugenio Josehttps://orcid.org/0000-0002-3614-0051http://lattes.cnpq.br/5094974411402019Castañeira Armero, José Alejandro2025-09-18T12:42:53Z2025-09-18T12:42:53Z2025-05-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfCASTAÑEIRA ARMERO, José Alejandro. Desenvolvimento e validação de um sistema GISS-squeeze casting aplicado na liga de alumínio A380. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2025.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38316porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2025-09-19T06:14:09Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/38316Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2025-09-19T06:14:09Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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