dc.contributor.advisor | Roven, Hans Jørgen | |
dc.contributor.author | Flåm, Jan Eskil | |
dc.date.accessioned | 2021-09-28T18:01:57Z | |
dc.date.available | 2021-09-28T18:01:57Z | |
dc.date.issued | 2020 | |
dc.identifier | no.ntnu:inspera:59532294:36031643 | |
dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/11250/2785255 | |
dc.description.abstract | Målet med denne studien var å benytte 10 mm ekstrudatprofiler fra kontinuerlig skrueekstrusjon
av metaller (Metal Continuous Scew Extrusion, MCSE), en ny metode for fast tilstandsproduksjons
av metalltråd for additiv tilvirkning av en aluminium matriks nanokompositt tynnvegg
ved bruk av kaldmetalloverføringteknologi (CMT). I denne masteroppgaven ble et titankarbidforsterket
10mmekstrudat av AA5183 aluminium-magnesium-legering benyttet, samt et AA5183
ekstrudat uten forsterkning. Ekstrudatene ble trukket og barbert ned til 1.2mm diameter sveisetråd
for additiv tilvirkning med metalltråd og lysbue av en 233x8x84 mm3 tynnvegg på en AA6082
baseplate. En tredjedel av veggen ble deponert uten titankarbid nanopartikkel-forsterkning for
sammenligning. Mikrostrukturen i tynnveggen ble karakterisert ved bruk av optisk lysmikroskopi.
Porositet ble undersøkt ved micro X-ray computational tomography (micro-CT) og scanning
electron microscopy (SEM). Vickers mikrohardhet og mekanisk styrke ble undersøkt for °a vurdere
komponentens mekansike egenskaper.
Sammenligning av de to seksjonene i veggen viste en nedgang på 86% i kornstørrelse ved
tilsats av titankarbid nanopartikler til AA5183-legeringen. En nedgang i kornstørrelse fra 64 μm
til 9 μm. Den titankarbid-forsterkede delen av veggen viste likeakset mikrostruktur, hvorledes
den uforsterkede delen viste store områder med kolumnær kornstruktur grunnet store temperaturgradienter
innad i materialet, som hindret kolumnær til likeakset overgang. Titankarbid
nanopartikler ble hovedsaklig funnet agglomerert på korngrensene, som tyder på partikkelskyving
under den raske størkningen av fast/flytende grensesenittet. Formasjon av intermetallisk
Al3Ti ble observert, med opprinnelse fra kjemisk reaksjon mellom titankarbidpartiklene
og aluminiumsmatriksen ved høye temperaturer.
Undersøkelse av porositet viste ekstrem poredannelse i tynnveggen, hele 25%. Gjennomsnittlig
porediameter 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 i
tynnveggen, slik som: høyt oksidinnhold, hydrogenlargrinskapasitet i titankarbidpartikler, samt
prosessparametere under ekstrudering og additiv tilvirkning.
Mekanisk testing viste en Vickers microhardhet på 88 HV0:1 for den titankarbid-forsterkede
delen. Strekktesting viste anisotropiske strekkegenskaper gjennom hele tynnveggen, med en
forlengelse på 5.9 EL og strekkfasthet på 179 MPa parallelt på deponeringsretningen (x), sammenlignet
med 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, begrense
porositet og tuning av prosessparametere, kan en signifikant forbedring av additivt tilvirkede
komponenter være mulig i fremtiden. | |
dc.description.abstract | The aim of this study was to utilize extruded 10 mm profiles from metal continuous screw
extrusion (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-magnesium
alloy reinforced with 3 wt% titanium carbide (TiC) nanoparticles (and one without reinforcement
were 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 deposited
without nanoparticle addition, for comparison. The microstructure of the WAAM thin
wall was characterized using optical light microscopy. Porosity was investigated using micro
X-Ray computational tomography (microCT) and scanning electron microscopy (SEM). Vickers
microhardness and tensile strength were investigated to assess mechanical properties of the
WAAM component.
Comparison of the wall sections revealed a 86% decrease in grain size due to TiC nanoparticle
addition. A decrease in grain size from 64 μm to 9 μm was observed. The TiC-reinforced
WAAM section showed equiaxed microstructure, inhibiting the formation of columnar grain
structure, whereas the unreinforced section showed large regions with columnar grain growth
due to large temperature gradients promoting a columnar grain morphology. TiC nanoparticles
were mainly found to agglomerate at grain boundaries, suggesting particle pushing at
the solid/liquid interface during solidification in WAAM. In-situ formation of the intermetallic
phase Al3Ti was observed, originating from the reaction between TiC nanoparticles and the
aluminium matrix occurred due to elevated temperatures during WAAM.
Investigation of porosity showed extreme porosity in the WAAM thin wall with TiC reinforcement
particles, 25 vol%. The average pore diameter was estimated to 102 μm for the TiC-reinforced
sections, and 42 μm for the unreinforced section. It is assumed that several factors
contribute to porosity in the WAAM thin wall, such as: high oxide amount, hydrogen storage
capacity 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-reinforced
section. 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 MPa
parallel to the deposition direction (x), compared to 2.7 %EL and 118 MPa in the perpendicular
deposition direction (z). The extreme porosity is believed to be the main contributor to poor
tensile properties.
By carefully tailoring aluminium matrix nanocomposites through nanoparticle selection,
porosity mitigation and processing parameters, significant strength enhancement is possible for
additive manufactured components in the future. | |
dc.language | | |
dc.publisher | NTNU | |
dc.title | Wire Arc Additive Manufacturing of an Al-Mg Aluminium Matrix Nanocompsite | |
dc.type | Master thesis | |