To main content

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.
Read the publication

Category

Master thesis

Language

English

Author(s)

  • Jan Eskil Flåm
  • Geir Kvam-Langelandsvik
  • Hans Jørgen Roven

Affiliation

  • SINTEF Industry / Materials and Nanotechnology
  • Norwegian University of Science and Technology

Year

2020

Publisher

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet

View this publication at Norwegian Research Information Repository