Computational Alloy Design of AA6xxx Extrusions

Abstract

I denne oppgaven har en rekke beregningsmodeller blitt brukt for å simulere hele prosessen for ekstrudert aluminium og senere utherding. Den proprietære programvaren \pro{} knytter sammen flere modeller. I denne oppgaven er målet å optimere aluminiums mekaniske egenskaper imens en fibrig mikrostruktur blir ivaretatt. Forskjellig kjemiske sammensetning innenfor AA6082 legeringen har vært utprøvd, så vel som forskjellig homogeinseringstemperatur, holdetid, forvarmingstemperatur og ekstruderingshastighet. Programvaren ble brukt til å identifisere terskler hvor legeringen ville rekrystallisere eller riv vil forekomme.

To paralleller bestående av fire forskjellige legeringer med ulik konsentrasjon av jern og krom ble støpt. Parallellene ble homogenisert på to ulike måter, for så å bli ekstrudert med en flat skinneprofil ved. Legeringene ble deretter undersøkt for rekrystallisering, riv, og dispersoider. Prøvene ble utherdet og testet for hardhet under utherdingsprosessen. Elektrisk ledningsevne ble også målt.

En parameterstudie ble gjennomført i \pro{}, som betyr at de eksperimentelle legeringene ble modellert for å anslå terskler hvor rekrystallisering og riv vil forekomme. Disse resultatene har blitt sammenlignet med de eksperimentelle resultatene.

Eksperimentene gav et bredt spekter av forskjellige rekrystalliserte strukturer, Fra fullstendig fibrig, til delvis rekrystallisert, fullstendig rekrystallisert med små korn og fullstendig rekrystallisert med store korn. Effekten av homogenisering, kjemisk sammensetning og ekstruderingsparametre ble dokumentert.

En stor variasjon i antallstetthet av dispersoider ble observert, disse legeringene er imidlertid svært vanskelig å analysere nøyaktig med hensyn til dispersoider, ettersom kromholdige dispersoider er svært mørke og utfordrende å skille fra matriks i SEM.

Uthdering viste lite til ingen forskjell i hardhet mellom ekstrudert materiale og utherding ved regelmessige intervaller i opp til 12 timer ved en temperatur på 180 \degree C.

Det ble målt at den lengre homogeniseringsbehandlingen B, ved 555 \degree C i 6 timer gir høyere elektrisk ledningsevne enn den kortere homogeniseringsbehandlingen A, ved 585 \degree C i 1 time.

Avslutningsvis har oppgaven lagt vekt på viktigheten av digitalisering i industrien, og bruken av delvis eller fullstendig digitale løsninger for utfordringer slik som beregningsbasert legeringsdesign, prosessoptimering, kostnads og miljøberegninger. En sentral konklusjon er at rammeverket \pro{} bare kan være så god som de enkelte modellene. Det er derfor viktig at disse modellene gir en nøyaktig beskrivelse av virkeligheten, uten å gå på bekostning av beregningsintensiteten.

In this thesis, a series of computer models were utilized as a means to simulate the through process of aluminium during extrusion and subsequent artificial ageing. The objective is to optimize the mechanical properties while maintaining a fibrous microstructure. Different chemical composition within the AA6082 series were trialed, as well as different homogenization temperature, holding time, billet preheat temperature and extrusion ram speed.

Two parallels of four unique alloys with varying concentration of iron and chromium were cast, and the parallels were homogenized differently. The homogenized billets were then extruded with a flat rail profile at two different speeds, and with varying cooling rates. The alloys were examined for recrystallization, tearing, and dispersoids. Samples were artificially aged and tested for hardness throughout the ageing process. Electrical conductivity was measured.

A parameter study of the alloys was conducted in \pro{}, meaning that the experimental alloys were simulated in order to identify thresholds of recrystallization and tearing. These results have been compared to the experimental results.

The experiments yielded a wide selection of different microstructures, ranging from completely fibrous, to partly recrystallized, to fully recrystallized with small grains and fully recrystallized with large grains. It was found that chromium can help prevent recrystallization, and that slow cooling after extrusion promotes recrystallization. Results suggest that iron may have some favorable interaction with chromium in regards to dispersoid-forming, especially for longer homogenization times.

A wide range of number densities of dispersoids were measured, however these alloys were particularly difficult to examine accurately, as chromium containing dispersoids are darker and more difficult to separate from the aluminium matrix. These results should be judged critically.

The precipitation hardening resulted in very little to no difference in hardness when comparing as-extruded material and artificially aged material at regular intervals for up to 12 hours of artificial ageing at 180 \degree C. The reason as to why is not known.

Measurements showed that the longer homogenization treatment B, at 555 \degree C for 6 hours displayed a higher electrical conductivity than the shorter homogenization treatment A, at 585 \degree C for 1 hour.

Lastly, the thesis emphasized on the importance of digitalization in industry, and the use of partly or fully digital solutions for problems such as computational alloy design, process optimization, cost and environmental calculations. One key remark is that the \pro{} software can only be as good as the underlying models. It is therefore important that these models give an accurate description of the real work, while not being too computationally demanding.