Aluminum weld metal inoculation by Ti/TiB2/TiC additions to screw extruded filler wires

Abstract

Nylig utviklede metoder har gjort det mulig å produsere Al-TiC nanokompositt-sveisetråder som fører til økt kornforfining i sveisemetallet. Dette reduserer tilbøyeligheten til varmsprekking i de utherdbare aluminiumslegeringene, og gjør det mulig å sveise disse legeringene med de tradisjonelle buesveisemetodene. Denne studien undersøker om en annen produksjonsmetode som involverer skrueekstrudering av aluminium kan være en mulig alternativ metode for å produsere slike sveisetråder. Fire kompositt-sveisetråder i AA1370 ble produsert med en kombinasjon av følgende dispergerte partikler: Ti (<150 µm), Ti-TiB2 (0.5 µm) og TiC (40-60 nm). Kommersiell ren-aluminium ble valgt som baselegering for å redusere kompleksiteten i studien. Komposisjonen av hver sveisetråd var følgende (vekt\%): (1) 1.1Ti, (2) 1.1Ti-0.18TiB2, (3) 1.5TiC, (4) 1.1Ti-1.5TiC. Én sveisetråd ble også produsert uten partikler og brukt som referanse. Alle fem sveisetråder ble sveist med GMAW (engelsk: gas metal arc-weld) og GTAW (engelsk: gas tungsten arc-weld), og de resulterende sveisemetallene ble karakterisert med lysmikroskopi, SEM (engelsk: scanning electron microscopy) og Vickers hardhet.

Sveisetråd (1) førte til 70% lavere gjennomsnittlig kornstørrelse i sveisemetallet sammenlignet med referansen i GMAW og GTAW. Tilførsel av 0.18TiB2 i (2) ga ingen ytterligere kornforfinende effekt. Sveisetråd (3) reduserte gjennomsnittlig kornstørrelse med 75% og 80% i forhold til GTAW og GMAW referansen respektivt. Mens sveisetråd (4) reduserte dette ytterligere til 80% (GTAW) og 90% (GMAW). Ingen av sveisetrådene resulterte i en fullstendig likeakset kornstruktur med GTAW, men (1), (4) og (5) gjorde det med GMAW. Ingen av sveisetrådene førte til signifikant økning i hardhet i sveisemetallet sammenlignet med referansene; bortsett fra (4) som økte hardheten marginalt med GMAW (15\%). Generelt sett økte porøsiteten i sveisemetallene med økt tilførsel av partikler i sveisetrådene. Porøsiteten ble også betydelig høyere med GMAW i forhold til GTAW. Kilden til porøsiteten var antageligvis fukt som adsorberte på partikkel-overflatene grunnet lufteksponering, enten hos leverandør eller under skrueekstrudering. Resultatene i denne studien viser at skrueekstrudering har potensiale som en framtidig produksjonemetode av Al-TiC nanokompositt-sveisetråder. Men dette forutsetter at utfordringene med lufteksponering løses, og i tillegg bør studien utvides til mer relevante legeringer (dvs. 2xxx, 6xxx og 7xxx).

Recently developed fabrication methods have made it possible to produce nanocomposite Al-TiC filler wires (FWs) for Al weld metal (WM) inoculation, which reduces the notorious hot-cracking susceptibility of heat-treatable Al alloys in traditional arc-welding. This study examined whether an alternative solid-state process route involving metal screw extrusion (MSE) could be viable for producing composite FWs. Four composite AA1370 FWs were successfully produced with a combination of the following dispersed particles: Ti (<150 μm), TiB2 (0.5 μm), and TiC (40-60 nm). Commercially pure Al was chosen as base alloy in order to reduce complexity. The composition of each FW was (wt%): (1) 1.1Ti, (2) 1.1Ti-0.18TiB2, (3) 1.5TiC, (4) 1.1Ti-1.5TiC. A reference FW (no additions) was also produced as benchmark. All five FWs were welded with GMAW (gas metal arc-weld) and GTAW (gas tungsten arc-weld), and the resulting WMs were characterized by light microscopy (LM), scanning electron microscopy (SEM), and Vickers hardness.

The 1.1Ti FW resulted in a 70% reduction in WM mean grain size relative to both GMAW and GTAW reference. However, the extra addition of 0.18TiB2 did not seem to have any grain refining effect. The 1.5TiC FW reduced the mean grain size by 75% and 80% relative to the GTAW and GMAW reference respectively; while the 1.1Ti-1.5TiC FW reduced the mean grain size further to 80% and 90% respectively. No GTA-welded FWs resulted in a fully equiaxed WM grain structure; however, the GMA-welded 1.1Ti, 1.5TiC, and 1.1Ti-1.5TiC FWs resulted in completely equiaxed grain structures. No significant increase in WM hardness relative to reference was found for any FW, however, the 1.1Ti-1.5TiC GMA-WM was slightly harder (15%). Overall, the WM porosity increased with increasing particle additions, and porosity was found to be significantly higher with GMAW compared to GTAW. The porosity is believed to stem from the adsorption of moisture on particle surfaces due to air exposure at supplier and/or during MSE. The results in this study indicate that MSE could be a viable method to produce nanocomposite Al-TiC FWs in the future. However, the issue of porosity must be resolved, and the study should be expanded to more relevant Al base alloys (i.e, 2xxx, 6xxx, or 7xxx).