Wire Arc Additive Manufacturing of an Al-Mg Aluminium Matrix Nanocompsite

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.

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.