Characterisation of an aluminium matrix nanocomposite wire manufactured by screw extrusion

Kontinuerleg skrueekstrusjon av metaller (Metal Continuous Scew Extrusion, MCSE) er ein nyutvikla, fast tilstands produksjonsmetode, som tilrettelegg for framstilling av metallegeringar og komposittar med nye eigenskapar. MCSE er utvikla ved Noregs Teknisk-Naturvitskaplege Universitet (NTNU), i samarbeid med Norsk Hydro. I denne oppgåva har MCSE blitt brukt til å produsere to aluminium-matrise kompositt (aluminium matrix composites, AMC) trådar, beståande av ei 5183 aluminium-magnesium (Al-Mg) legering som matrise, forsterka med titankarbid (TiC) nanopartiklar. Diameteren til naopartiklane var omtrent 50 nm. To tilsvarande trådar av reint 5183 Al-Mg, det vil seie utan TiC nanopartiklar, vart også produserte på same måte. Ein av AMC-trådane vart ekstrudert med tilsett karbondioksid (CO₂) gass under ekstrudering, i eit forsøk på å motverke oksidasjon av Mg. Det same vart gjort for ein av dei reine 5183-trådane. Rensinga av råmaterialet (5183 granular) vart også tilpassa for å minimere oksidasjon. Mikrostrukturen til dei produserte AMC-trådane vart undersøkt ved hjelp av eit Scanning Elektron Mikroskop (SEM). Desse undersøkingane viste at TiC nanopartiklane var uniformt fordelte i materialet, hovudsakleg i form av små klynger. TiC innhaldet i begge trådane var relativt lågt. Nokre av TiC nanopartiklane omkransa Mg-oksid. Dette kan tyde på at TiC partiklar har festa seg til Mg-oksida på overflaten av 5183-granulane under "tørr-coating", før MCSE vart iverksett. Mekanisk testing viste at AMC-tråden som vart ekstrudert utan bruk av CO₂ gass, altså i luft, hadde høgast hardhet og styrke. Vickers mikrohardhet for denne tråden vart målt til omtrent 103 HV0.1, flytespenning til 233MPa, strekkfasthet til 386MPa og forlenging til 22%EL. For AMC-tråden som vart ekstrudert i CO₂-rik atmosphere vart det målt Vickers mikrohardet på omtrent 95 HV0.1, flytespenning på 198MPa, strekkfasthet på 374MPa og forlenging på 23%EL. Dei to reine 5183- trådane hadde omtrent like verdiar for styrke og hardhet. Difor er det antatt at den svakare styrkeaukninga for tråden ekstrudert i CO₂-rik atmosfære, samanlikna med tråden som vart ekstrudert i luft, skuldast eit utilsikta, lågare innhald av TiC nanopartiklar. Duktiliteten for dei reine 5183-trådane auka med 6 prosent poeng når CO₂ gass vart tilført under ekstrudering. Det er antatt at auka i duktilitet skuldast at CO₂ gassen reduserte danninga av sprø Mg-oksid. Det vart også observert at arbeidsherdinga auka svakt under strekktesting for trådane som vart ekstruderte i CO₂-rik atmosfære. Det er antatt at dette skuldast ei auke i Mg-innhaldet i fast løysing, forårsaka av at CO₂ forhindra danninga av Mg-oksid. TiC nanopartiklane hadde negativ innverknad på arbeidsherdinga til AMC-trådane. Det kan forklarast ved å anta at den betydelege avstanden som vart observert mellom TiC nanopartiklane førte til stor avstand mellom dislokasjonane som vart danna under strekktesting. Dette førte til redusert arbeidsherding. Altså, kan det antakast at TiC nanopartiklane har opptredd som Frank-Read sources, med stor avstand seg i mellom. Det tiltenkte bruksområdet for dei produserte AMC-trådane er som sveisetrådar i additiv tilverkning. Difor må innhaldet av porer og oksider i dei ferdige trådane haldast på eit minimum.