Characterisation of an aluminium matrix nanocomposite wire manufactured by screw extrusion
Master thesis
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2624249Utgivelsesdato
2019Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Kontinuerleg skrueekstrusjon av metaller (Metal Continuous Scew Extrusion, MCSE)er ein nyutvikla, fast tilstands produksjonsmetode, som tilrettelegg for framstillingav metallegeringar og komposittar med nye eigenskapar. MCSE er utvikla vedNoregs Teknisk-Naturvitskaplege Universitet (NTNU), i samarbeid med Norsk Hydro.
I denne oppgåva har MCSE blitt brukt til å produsere to aluminium-matrisekompositt (aluminium matrix composites, AMC) trådar, beståande av ei 5183aluminium-magnesium (Al-Mg) legering som matrise, forsterka med titankarbid(TiC) nanopartiklar. Diameteren til naopartiklane var omtrent 50 nm. To tilsvarandetrådar av reint 5183 Al-Mg, det vil seie utan TiC nanopartiklar, vart ogsåproduserte på same måte. Ein av AMC-trådane vart ekstrudert med tilsett karbondioksid(CO2) gass under ekstrudering, i eit forsøk på å motverke oksidasjon av Mg.Det same vart gjort for ein av dei reine 5183-trådane. Rensinga av råmaterialet(5183 granular) vart også tilpassa for å minimere oksidasjon.
Mikrostrukturen til dei produserte AMC-trådane vart undersøkt ved hjelp aveit Scanning Elektron Mikroskop (SEM). Desse undersøkingane viste at TiC nanopartiklanevar uniformt fordelte i materialet, hovudsakleg i form av små klynger.TiC innhaldet i begge trådane var relativt lågt. Nokre av TiC nanopartiklaneomkransa Mg-oksid. Dette kan tyde på at TiC partiklar har festa seg til Mg-oksidapå overflaten av 5183-granulane under "tørr-coating", før MCSE vart iverksett.Mekanisk testing viste at AMC-tråden som vart ekstrudert utan bruk av CO2gass, altså i luft, hadde høgast hardhet og styrke. Vickers mikrohardhet for dennetråden vart målt til omtrent 103 HV0.1, flytespenning til 233MPa, strekkfasthet til386MPa og forlenging til 22%EL. For AMC-tråden som vart ekstrudert i CO2-rikatmosphere vart det målt Vickers mikrohardet på omtrent 95 HV0.1, flytespenning på 198MPa, strekkfasthet på 374MPa og forlenging på 23%EL. Dei to reine 5183-trådane hadde omtrent like verdiar for styrke og hardhet. Difor er det antatt atden svakare styrkeaukninga for tråden ekstrudert i CO2-rik atmosfære, samanliknamed tråden som vart ekstrudert i luft, skuldast eit utilsikta, lågare innhald av TiCnanopartiklar. Duktiliteten for dei reine 5183-trådane auka med 6 prosent poengnår CO2 gass vart tilført under ekstrudering. Det er antatt at auka i duktilitetskuldast at CO2 gassen reduserte danninga av sprø Mg-oksid.
Det vart også observert at arbeidsherdinga auka svakt under strekktesting fortrådane som vart ekstruderte i CO2-rik atmosfære. Det er antatt at dette skuldastei auke i Mg-innhaldet i fast løysing, forårsaka av at CO2 forhindra danninga avMg-oksid. TiC nanopartiklane hadde negativ innverknad på arbeidsherdinga tilAMC-trådane. Det kan forklarast ved å anta at den betydelege avstanden som vartobservert mellom TiC nanopartiklane førte til stor avstand mellom dislokasjonanesom vart danna under strekktesting. Dette førte til redusert arbeidsherding. Altså,kan det antakast at TiC nanopartiklane har opptredd som Frank-Read sources, medstor avstand seg i mellom.
Det tiltenkte bruksområdet for dei produserte AMC-trådane er som sveisetrådari additiv tilverkning. Difor må innhaldet av porer og oksider i dei ferdige trådanehaldast på eit minimum. Metal Continuous Screw Extrusion (MCSE) is a novel solid-state manufacturingmethod which facilitates for the production of metal alloys and composites withnew properties. MCSE is developed at the Norwegian University of Science andTechnology (NTNU), in collaboration with Norsk Hydro.
In this work, MCSE was used to create two aluminium matrix composite (AMC)wires, consisting of an 5183 aluminium-magnesium (Al-Mg) alloy matrix reinforcedwith titanium carbide (TiC) nanoparticles. The nanoparticles had a diameterof approximately 50 nm. Two corresponding monolithic (i.e. pure 5183 Al-Mg,without TiC reinforcement particles) wires were also produced. One of the AMCwires was extruded with added carbondioxide (CO2) gas to the screw extruderchamber, in an attempt to inhibit oxidation of Mg. The same was done for one ofthe monolithic wires. The pre-treatment procedure of the feedstock materials (5183granules) was also different between the wires extruded in ambient atmosphere andthe wires extruded with added CO2, in another effort to minimise oxidation of Mg.
The microstructures of the AMC wires were investigated using Scanning ElectronMicroscopy (SEM). It was found that the TiC nanoparticles were uniformlydistributed throughout the material, mainly appearing as small clusters. The contentof TiC was fairly low in both wires. It was observed that some TiC nanoparticlesagglomerated around Mg-oxide phases, implying that the TiC particlesattach to surface Mg-oxides on the 5183-granules during dry coating, before MCSE.
Mechanical testing showed that the AMC wire extruded without CO2 gas shielding(i.e. in ambient atmosphere) had the highest hardness and tensile strength. AVickers microhardness of approximately 103 HV0.1, yield strength of 233MPa,tensile strength of 386MPa and elongation of 22%EL was measured for the AMCwire extruded in ambient atmosphere. The AMC-wire extruded in a CO2 rich atmospherehad a Vickers microhardness of approximately 95 HV0.1, yield strengthof 198MPa, tensile strength of 374MPa and an elongation of 23%EL. No signiffcantdifferences in strength or hardness were observed between the two monolithicwires. Thus, it is assumed that the inferior mechanical properties of the AMC wireextruded in the presence of CO2 gas is due to an unintentional lower TiC content.The ductility of the monolithic wire increased by 6 percentage points whenCO2 cover gas was applied. This is attributed to the inhibited formation of brittleMg-oxides.
Additionally, it was observed that strain hardening slightly increased duringtensile testing for the wires extruded with CO2 cover gas. The underlying mechanismis assumed to be an increase of Mg content in solid solution, when applyingthe CO2 cover gas, which reduces the amount of Mg-oxides formed. The additionof TiC nanoparticles had a negative effect on strain hardening. This might be explainedby a significant interparticle spacing between the TiC nanoparticles, henceresulting in large spacing between the dislocation generating Frank-Read sources.
The intended future application for the AMC products are as welding wiresin Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Therfore, it is required that theamount of pores and oxides present in the extruded AMC-wires is minimised.