dc.contributor.advisor | Roven, Hans Jørgen | |
dc.contributor.advisor | Langelandsvik, Geir | |
dc.contributor.author | Ragnvaldsen, Olav | |
dc.date.accessioned | 2019-10-24T14:00:53Z | |
dc.date.available | 2019-10-24T14:00:53Z | |
dc.date.issued | 2019 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11250/2624249 | |
dc.description.abstract | Kontinuerleg skrueekstrusjon av metaller (Metal Continuous Scew Extrusion, MCSE)
er ein nyutvikla, fast tilstands produksjonsmetode, som tilrettelegg for framstilling
av metallegeringar og komposittar med nye eigenskapar. MCSE er utvikla ved
Noregs Teknisk-Naturvitskaplege Universitet (NTNU), i samarbeid med Norsk Hydro.
I denne oppgåva har MCSE blitt brukt til å produsere to aluminium-matrise
kompositt (aluminium matrix composites, AMC) trådar, beståande av ei 5183
aluminium-magnesium (Al-Mg) legering som matrise, forsterka med titankarbid
(TiC) nanopartiklar. Diameteren til naopartiklane var omtrent 50 nm. To tilsvarande
trådar av reint 5183 Al-Mg, det vil seie utan TiC nanopartiklar, vart også
produserte 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 av
eit Scanning Elektron Mikroskop (SEM). Desse undersøkingane viste at TiC nanopartiklane
var uniformt fordelte i materialet, hovudsakleg i form av små klynger.
TiC innhaldet i begge trådane var relativt lågt. Nokre av TiC nanopartiklane
omkransa Mg-oksid. Dette kan tyde på at TiC partiklar har festa seg til Mg-oksida
på overflaten av 5183-granulane under "tørr-coating", før MCSE vart iverksett.
Mekanisk testing viste at AMC-tråden som vart ekstrudert utan bruk av CO2
gass, altså i luft, hadde høgast hardhet og styrke. Vickers mikrohardhet for denne
tråden vart målt til omtrent 103 HV0.1, flytespenning til 233MPa, strekkfasthet til
386MPa og forlenging til 22%EL. For AMC-tråden som vart ekstrudert i CO2-rik
atmosphere 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 at
den svakare styrkeaukninga for tråden ekstrudert i CO2-rik atmosfære, samanlikna
med tråden som vart ekstrudert i luft, skuldast eit utilsikta, lågare innhald av TiC
nanopartiklar. Duktiliteten for dei reine 5183-trådane auka med 6 prosent poeng
når CO2 gass vart tilført under ekstrudering. Det er antatt at auka i duktilitet
skuldast at CO2 gassen reduserte danninga av sprø Mg-oksid.
Det vart også observert at arbeidsherdinga auka svakt under strekktesting for
trådane som vart ekstruderte i CO2-rik atmosfære. Det er antatt at dette skuldast
ei auke i Mg-innhaldet i fast løysing, forårsaka av at CO2 forhindra danninga av
Mg-oksid. TiC nanopartiklane hadde negativ innverknad på arbeidsherdinga til
AMC-trådane. Det kan forklarast ved å anta at den betydelege avstanden som vart
observert mellom TiC nanopartiklane førte til stor avstand mellom dislokasjonane
som vart danna under strekktesting. Dette førte til redusert arbeidsherding. Altså,
kan det antakast at TiC nanopartiklane har opptredd som Frank-Read sources, med
stor avstand seg i mellom.
Det tiltenkte bruksområdet for dei produserte AMC-trådane er som sveisetrådar
i additiv tilverkning. Difor må innhaldet av porer og oksider i dei ferdige trådane
haldast på eit minimum. | |
dc.description.abstract | Metal Continuous Screw Extrusion (MCSE) is a novel solid-state manufacturing
method which facilitates for the production of metal alloys and composites with
new properties. MCSE is developed at the Norwegian University of Science and
Technology (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 reinforced
with titanium carbide (TiC) nanoparticles. The nanoparticles had a diameter
of approximately 50 nm. Two corresponding monolithic (i.e. pure 5183 Al-Mg,
without TiC reinforcement particles) wires were also produced. One of the AMC
wires was extruded with added carbondioxide (CO2) gas to the screw extruder
chamber, in an attempt to inhibit oxidation of Mg. The same was done for one of
the monolithic wires. The pre-treatment procedure of the feedstock materials (5183
granules) was also different between the wires extruded in ambient atmosphere and
the wires extruded with added CO2, in another effort to minimise oxidation of Mg.
The microstructures of the AMC wires were investigated using Scanning Electron
Microscopy (SEM). It was found that the TiC nanoparticles were uniformly
distributed throughout the material, mainly appearing as small clusters. The content
of TiC was fairly low in both wires. It was observed that some TiC nanoparticles
agglomerated around Mg-oxide phases, implying that the TiC particles
attach 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. A
Vickers microhardness of approximately 103 HV0.1, yield strength of 233MPa,
tensile strength of 386MPa and elongation of 22%EL was measured for the AMC
wire extruded in ambient atmosphere. The AMC-wire extruded in a CO2 rich atmosphere
had a Vickers microhardness of approximately 95 HV0.1, yield strength
of 198MPa, tensile strength of 374MPa and an elongation of 23%EL. No signiffcant
differences in strength or hardness were observed between the two monolithic
wires. Thus, it is assumed that the inferior mechanical properties of the AMC wire
extruded 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 when
CO2 cover gas was applied. This is attributed to the inhibited formation of brittle
Mg-oxides.
Additionally, it was observed that strain hardening slightly increased during
tensile testing for the wires extruded with CO2 cover gas. The underlying mechanism
is assumed to be an increase of Mg content in solid solution, when applying
the CO2 cover gas, which reduces the amount of Mg-oxides formed. The addition
of TiC nanoparticles had a negative effect on strain hardening. This might be explained
by a significant interparticle spacing between the TiC nanoparticles, hence
resulting in large spacing between the dislocation generating Frank-Read sources.
The intended future application for the AMC products are as welding wires
in Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Therfore, it is required that the
amount of pores and oxides present in the extruded AMC-wires is minimised. | |
dc.language | eng | |
dc.publisher | NTNU | |
dc.title | Characterisation of an aluminium matrix nanocomposite wire manufactured by screw extrusion | |
dc.type | Master thesis | |