Wire Arc Additive Manufacturing of an Al-Mg Aluminium Matrix Nanocompsite
Abstract
Målet med denne studien var å benytte 10 mm ekstrudatprofiler fra kontinuerlig skrueekstrusjonav metaller (Metal Continuous Scew Extrusion, MCSE), en ny metode for fast tilstandsproduksjonsav metalltråd for additiv tilvirkning av en aluminium matriks nanokompositt tynnveggved bruk av kaldmetalloverføringteknologi (CMT). I denne masteroppgaven ble et titankarbidforsterket10mmekstrudat av AA5183 aluminium-magnesium-legering benyttet, samt et AA5183ekstrudat uten forsterkning. Ekstrudatene ble trukket og barbert ned til 1.2mm diameter sveisetrådfor additiv tilvirkning med metalltråd og lysbue av en 233x8x84 mm3 tynnvegg på en AA6082baseplate. En tredjedel av veggen ble deponert uten titankarbid nanopartikkel-forsterkning forsammenligning. Mikrostrukturen i tynnveggen ble karakterisert ved bruk av optisk lysmikroskopi.Porositet ble undersøkt ved micro X-ray computational tomography (micro-CT) og scanningelectron microscopy (SEM). Vickers mikrohardhet og mekanisk styrke ble undersøkt for °a vurderekomponentens mekansike egenskaper.Sammenligning av de to seksjonene i veggen viste en nedgang på 86% i kornstørrelse vedtilsats av titankarbid nanopartikler til AA5183-legeringen. En nedgang i kornstørrelse fra 64 μmtil 9 μm. Den titankarbid-forsterkede delen av veggen viste likeakset mikrostruktur, hvorledesden uforsterkede delen viste store områder med kolumnær kornstruktur grunnet store temperaturgradienterinnad i materialet, som hindret kolumnær til likeakset overgang. Titankarbidnanopartikler ble hovedsaklig funnet agglomerert på korngrensene, som tyder på partikkelskyvingunder den raske størkningen av fast/flytende grensesenittet. Formasjon av intermetalliskAl3Ti ble observert, med opprinnelse fra kjemisk reaksjon mellom titankarbidpartikleneog aluminiumsmatriksen ved høye temperaturer.Undersøkelse av porositet viste ekstrem poredannelse i tynnveggen, hele 25%. Gjennomsnittligporediameter ble estimert til 102 μm for den titankarbid-forsterkede delene av tynnveggen,og 42 μm for den uforsterkede delen. Det er antatt at flere faktorer bidrar til porositet itynnveggen, slik som: høyt oksidinnhold, hydrogenlargrinskapasitet i titankarbidpartikler, samtprosessparametere under ekstrudering og additiv tilvirkning.Mekanisk testing viste en Vickers microhardhet på 88 HV0:1 for den titankarbid-forsterkededelen. Strekktesting viste anisotropiske strekkegenskaper gjennom hele tynnveggen, med enforlengelse på 5.9 EL og strekkfasthet på 179 MPa parallelt på deponeringsretningen (x), sammenlignetmed en forlengelse på 2.7 EL og strekkfasthet på 118 MPa i vinkelrett på deponeringsretningen.Den ekstreme porositeten er antatt å være hovedårsak til svake strekkegenskaper.Ved å tilpasse aluminiummatriks nanokompositter gjennom valg av nanopartikler, begrenseporositet og tuning av prosessparametere, kan en signifikant forbedring av additivt tilvirkedekomponenter være mulig i fremtiden. The aim of this study was to utilize extruded 10 mm profiles from metal continuous screwextrusion (MCSE), a novel solid-state production method, for wire arc additive manufacturing(WAAM) of an aluminium matrix nanocomposite thin wall using cold metal transfer (CMT)technology.In this thesis, an extruded 10 mm diameter profile of an AA5183 aluminium-magnesiumalloy reinforced with 3 wt% titanium carbide (TiC) nanoparticles (and one without reinforcementwere drawn and shaved to a 1.2 mm welding wire for wire arc additive manufacturing(WAAM) of a 233x8x84 mm3 thin wall on a AA6082 base plate. One-third of the wall was depositedwithout nanoparticle addition, for comparison. The microstructure of the WAAM thinwall was characterized using optical light microscopy. Porosity was investigated using microX-Ray computational tomography (microCT) and scanning electron microscopy (SEM). Vickersmicrohardness and tensile strength were investigated to assess mechanical properties of theWAAM component.Comparison of the wall sections revealed a 86% decrease in grain size due to TiC nanoparticleaddition. A decrease in grain size from 64 μm to 9 μm was observed. The TiC-reinforcedWAAM section showed equiaxed microstructure, inhibiting the formation of columnar grainstructure, whereas the unreinforced section showed large regions with columnar grain growthdue to large temperature gradients promoting a columnar grain morphology. TiC nanoparticleswere mainly found to agglomerate at grain boundaries, suggesting particle pushing atthe solid/liquid interface during solidification in WAAM. In-situ formation of the intermetallicphase Al3Ti was observed, originating from the reaction between TiC nanoparticles and thealuminium matrix occurred due to elevated temperatures during WAAM.Investigation of porosity showed extreme porosity in the WAAM thin wall with TiC reinforcementparticles, 25 vol%. The average pore diameter was estimated to 102 μm for the TiC-reinforcedsections, and 42 μm for the unreinforced section. It is assumed that several factorscontribute to porosity in the WAAM thin wall, such as: high oxide amount, hydrogen storagecapacity of TiC nanoparticles, as well as processing parameters during MCSE and WAAM.Mechanical testing showed a Vickers microhardness of 88 HV0.1 for the TiC-reinforcedsection. Tensile testing showed anisotropic tensile properties throughout the WAAM thin wall,demonstrating a higher ductility 5.9 %EL and ultimate tensile strength (UTS) of 179 MPaparallel to the deposition direction (x), compared to 2.7 %EL and 118 MPa in the perpendiculardeposition direction (z). The extreme porosity is believed to be the main contributor to poortensile properties.By carefully tailoring aluminium matrix nanocomposites through nanoparticle selection,porosity mitigation and processing parameters, significant strength enhancement is possible foradditive manufactured components in the future.