Characterisation of an aluminium matrix nanocomposite wire manufactured by screw extrusion

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.

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.