| dc.description.abstract | Multimaterielle skjøter er nyttige i produksjon av lette strukturer med høy ytelse og funksjonalitet. Denne avhandlingen undersøker en skjøt sammensveiset ved bruk av den innovative Hybrid Metal Extrusion & Bonding (HYB) metoden. Skjøten har tre basismetaller, kobber Cu-H02, titan (Ti) klasse 2 og stål HTC590, som er sammenføyd ved hjelp av et aluminium (Al) leg- eringsfyllmetall, AA6082-T4. Hovedmålet i denne oppgaven er å undersøke bindingsmekanismene og bindingsstyrken til skjøten i tre trinn. Skjøten blir undersøkt på mikroskalaen ved bruk av skanningselektronmikroskopi (SEM), på nanoskalaen ved bruk av transmisjonselektronmikroskopi (TEM), og mekaniske egenskaper blir undersøkt ved bruk av Vickers hardhetstest og strekkprøve.
SEM-studiene, gjort gjennom SE-avbildning, fokuserte på gap og deformasjoner, forskjeller i kornstruktur mellom bulk og delen nær grensesnittet og i hvilken grad det er områder av blanding mellom metallene langs grensesnittet. Resultatene viser at Al-Cu-grensesnittet er det eneste som viser store porer og deformasjoner, mens Al-Ti og Al-stål-grensesnittene er tett bundet. I tillegg er det flere fragmenter i Al-fyllstoffmetallet som stammer fra Ti-grensesnittet til tross for at de er nær det mer deformerte Cu-grensesnittet. SE-bilder viser at kornforfining bare er synlig på Al-stål grensesnittet. Steder med blanding, som indikerer mulig dannelse av intermetallisk forbindelse (IMC), ser ut til å være til stede ved alle de tre grensesnittene.
TEM-studiene ble gjort gjennom high-angle annular dark field scanning TEM (HAADF-STEM) avbildning, bright field (BF) TEM avbildning, selected-area diffraction (SAD) og energy-dispersive spectroscopy (EDS). Fire prøver ble undersøkt i TEM med fokus på IMC-dannelse, to fra Al-Cu- grensesnittet og to fra Al-Ti-grensesnittet. I Al-Cu-prøvene viser SAD og EDS resultatene at det er tre typer IMC-er til stede, mens BF-TEM og HAADF-STEM bildene viser tykkelsene på IMC-ene og også at IMC-ene vokser jevnt og kontinuerlig langs grensesnittet. De oppdagede Al-Cu IMC- ene er Al2Cu, Al4Cu9 og AlCu, og deres gjennomsnittlige tykkelse er henholdsvis 260 ± 43 nm, 217 ± 51 nm og 200 ± 44 nm. I Al-Ti-prøvene viser bilder av BF-TEM og HAADF-STEM tilstedeværelse av store områder med blanding ved grensesnittet, med betydelig konsentrasjon av Al, Ti og Si i disse områdene. På resten av Al-Ti-grensesnittene, uten disse blandingsområdene, avslører EDS-kart tilstedeværelsen av et tynt lag som inneholder betydelig konsentrasjon av Al, Si og Ti, med en gjennomsnittlig tykkelse på 51 ± 4 nm. Steder med betydelig konsentrasjon av Al, Ti og Si er muligens Al-Si-Ti-IMCer. SAD eller lagvis EDS-analyse for å bestemme nøyaktig IMC-sammensetning kunne ikke utføres på Al-Ti-prøvene på grunn av at områdene med mulige IMC-er er for tynne. I både Al-Cu-prøvene og Al-Ti-prøvene dannes IMC-ene i mye tynnere lag enn hva som dannes når det benyttes andre sveisemetoder enn HYB.
Resultatene fra Vickers hardhetstester viser at alle tre basismetallene har blitt påvirket av trykket under sveiseprosessen og har blitt arbeidsherdet nær grensesnittene. Dette betyr at både Cu, Ti og stål er sterkere nærmere grensesnittene og har høyere motstand mot deformasjon. Al viser ikke en vesentlig forskjell i hardhet nærmere grensesnittene og lenger bort, siden hele Al opplevevde lignende tilstander når den blir presset gjennom ekstruderingsstiften under sveising.
Strekkprøvene ble utført på fire prøver fra Al-Ti-grensesnittet og fire prøver fra Al-stål- grensesnittet. Alle Al-Cu-prøvene ble ødelagt under maskinering og kunne ikke testes. Brud- dflatene i strekkprøvede prøver ble deretter undersøkt i SEM. Resultatene viser at Al-Ti-prøvene er duktile, siden de gjennomgår elastisk deformasjon og påfølgende plastisk deformasjon, inklud- ert necking, før brudd. Al-Ti-prøvene sprekker godt innenfor Al, noe som indikerer en sterk bindemekanisme ved grensesnittet muligens på grunn av IMC-er og mekanisk sammenlåsning. Prøvene fra Al-stål er sprøere ettersom de brytes ved grensesnittet mellom Al og stål uten plastisk deformasjon. Det var rester av både Al, stål og muligens IMC på bruddflatene, noe som indikerte betydelig binding mellom metallene ved grensesnittet. Den gjennomsnittlige ultimate strekkfastheten for Al-Ti-prøvene er 305 ± 1 MPa, og for Al-stål-prøvene er den 266 ± 21 MPa. Disse tallene indikerer at begge grensesnittene, Al-Ti og Al-stål, har høy styrke.
Til slutt gis det flere forslag til hva som kan gjøres i forbindelse med videre arbeid for bedre forståelse av HYB. SAD og EDS-kartlegging av Al-stål-grensesnittet med fokus på IMC- formasjonen anbefales, da det er det eneste grensesnittet til leddet som ikke er studert i TEM i denne oppgaven. Skanningspresesjonselektrondiffraksjon (SPED) bør brukes til å undersøke sammensetningen av IMC-ene som er dannet i tynne lag, for eksempel ved Al-Ti-grensesnittet. For å måle IMCs hardhet bør det brukes en hardhetstest med mindre innrykkdiameter enn Vickers- testen som brukes i denne oppgaven. Et forslag er nanohardhetstesting. For bedre å forstå hvilken innvirkning HYB har hatt på metallene, kunne elektron-tilbakespredningsdiffraksjon (EBSD) i SEM, avbildning i TEM eller SPED i TEM brukes til å undersøke forskjell i kornstrukturen i metallenes bulkregion og områder nært grensesnittet. Hvis nye skjøter lagd ved bruk av HYB- metoden skal studeres, bør de opprinnelige forholdene bli observert for å legge til rette for en bedre forståelse av resultatene. Dette inkluderer egenskaper slik som overflatenes ruhet, som kan måles før sveising. De makroskopiske porene ved Al-Cu-grensesnittet, som er ugunstige for sveisekvaliteten, kan være komme av plasseringen av Cu under sveising. Det ville vært av interesse å få nye skjøter laget med forskjellige plasseringer metallene for å teste om plassering er viktig for dannelse av gap, porer eller deformasjoner.
Alt i alt er resultatene i denne oppgaven lovende for HYB som en levedyktig og robust sveiseteknikk. Den smale tykkelsen til de intermetalliske komponentene gir HYB et konkurranse- fortrinn sammenlignet med andre sveiseteknikker. Derfor bør HYB forfølges videre som en måte å skape de lette multimateriale strukrurene med høy ytelse som trengs for å bringe oss ett skritt nærmere en mer energieffektiv fremtid. | |
| dc.description.abstract | Multi-material joints are useful in production of lightweight structures with high performance and functionality. This thesis examines a joint welded together using the innovative Hybrid Metal Extrusion & Bonding (HYB) method. The joint has three base metals, copper Cu-H02, titanium (Ti) grade 2 and steel HTC590, joined together by an aluminium (Al) alloy filler metal, AA6082-T4, in one pass. The main objective in this thesis is to investigate the bonding mechanisms and bond strength of the joint in three steps. That is, the joint is investigated on the microscale by use of scanning electron microscopy (SEM), on the nanoscale by use of transmission electron microscopy (TEM), and mechanical properties are investigated by use of Vickers hardness test and tensile test.
The SEM studies of the joint, done through SE-imaging, focused on gaps and deformations, differences in grain structure between the bulk and the part close to the interface and to what extent there are regions of mixing between the metals along the interface. Results show that the Al-Cu interface is the only one that exhibits large pores and deformations, while the Al-Ti and Al-steel interfaces are tightly bonded. In addition, there are several fragments in the Al filler metal that originate from the Ti interface despite being close to the more deformed Cu interface. SE images show that grain refinement is only visible at the Al-steel interface. Intermixed swirl-like regions, indicating possible intermetallic compound (IMC) formation, seem to be present at all three interfaces.
The TEM studies were done through high-angle annular dark field scanning-TEM (HAADF- STEM) imaging, bright field (BF) TEM imaging, selected-area diffraction (SAD) and energy- dispersive spectroscopy (EDS) mapping. Four specimens were examined in TEM with focus on IMC formation, two from each of the Al-Cu and Al-Ti interfaces. In the Al-Cu specimens, the BF-TEM and HAADF-STEM images show that the IMCs grew uniformly and continuously along the interface, while the SAD and EDS results show that there are three types of IMCs present. The discovered Al-Cu IMCs are Al2Cu, Al4Cu9 and AlCu, and their average thicknesses, as seen in the HAADF-STEM images, are 260 ± 43 nm, 217 ± 51 nm and 200 ± 44 nm, respectively. In the Al-Ti specimens, BF-TEM and HAADF-STEM images show presence of large regions of mixing at the interface, with significant concentration of Al, Si and Ti at these regions. Such regions resemble a combination of mechanical interlocking and IMC formation. At the rest of the Al-Ti interface without these large mixing regions, images and EDS maps reveal presence of a thin layer containing significant concentration of Al, Si and Ti, with an average thickness of 51 ± 4 nm. Regions with significant concentration of both Al, Si and Ti are possibly Al-Si-Ti IMCs. SAD or layerwise EDS analysis to determine exact IMC composition could not be performed on the Al-Ti specimens due to the regions with possible IMCs being too thin. In both the Al-Cu and Al-Ti specimens, the IMCs are thinner than what is typically obtained by other joining methods.
The results from the Vickers hardness tests show that all three base metals have been affected by the pressure during the welding process and got harder close to the interfaces. This means that both Cu, Ti and steel have work hardened closer to the interfaces and have higher resistance to deformation. Al does not display a significant difference in hardness closer to the interfaces and further away, since all of the Al experienced similar conditions when getting pressed through the extrusion pin during welding.
The tensile tests were performed on four specimens from each of the Al-Ti and Al-steel interfaces. All the Al-Cu specimens broke during machining and could not be tensile tested. The fracture surfaces of the tensile tested specimens were subsequently examined in SEM. The results show the ductile nature of the Al-Ti specimens as they undergo elastic deformation and subsequent plastic deformation, including necking, before fracturing. The Al-Ti specimens fractured well within Al, indicating a strong bonding mechanism at the interface most likely due to IMCs and mechanical interlocking. The Al-steel specimens were more brittle as they fractured sharply at the interface between Al and steel without plastic deformation. There were remnants of both Al, steel and possibly IMCs on the fracture surfaces, indicating significant bonding between the metals at the interface. The mean ultimate tensile strength of the Al-Ti and Al-steel specimens were 305 ± 1 MPa and 266 ± 21 MPa, respectively. These large numbers indicate that both of the interfaces, Al-Ti and Al-steel, have high strength.
Finally, several suggestions are given to guide further work for better understanding of HYB. SAD and EDS mapping of the Al-steel interface with focus on the IMC formation is advised as it is the only interface of the joint that has not been studied in TEM in this thesis. Scanning precession electron diffraction (SPED) should be used to investigating the composition of the IMCs formed in thin layers, such as at the Al-Ti interface. To measure the hardness of the IMCs, a hardness test with smaller indentation diameter than that of the Vickers test used in this thesis should be used. A suggestion is nanohardness testing. To better understand the impacts HYB has had on the metals, electron backscatter diffraction (EBSD) in SEM, imaging in TEM or SPED in TEM could be used to examine difference in the grain structure of the metals’ bulk region and parts close to the interface. If new joints could be made using HYB method to be studied as in this thesis, the initial conditions should be monitored in order to facilitate a better comparison. This includes the properties such as the surface roughness of the metals, which can be measured prior to welding. The macroscopic pores at the Al-Cu interface in the joint, which are disadvantageous for the weld quality, could be a result of the placement of Cu during welding. It would be of interest to have new joints made with different placements of the metals to test whether placement is significant for the formation of gaps, pores or deformations.
All in all, the results in this thesis are promising for HYB as a viable and robust welding technique. The small thickness of the intermetallic compunds gives it a competitive advantage compared to other welding techniques. As such, HYB should be pursued further as a way to create the high-performance and lightweight multi-material structures that could bring us one step closer to a more energy efficient future.
| |
