Enhancement of creep resistance by particle reinforcement

Abstract

Sowohl eine 2124 (AlCu) Al-Legierung als auch eine 6061 (AlMgSi) Al-Legierung wurden mit und ohne SiC Partikelverstärkung mittels Pulvermetallurgie (PM) hergestellt und stranggepresst. Diese Legierungen wurden herangezogen, um die damit erzielten Kriechergebnisse mit schon existierenden Ergebnissen von konventionell hergestellten unverstärkten Legierungen zu vergleichen.<br />Verschiedene partikelverstärkte Materialien (PRMs) verstärkt mit SiC von 3 verschiedenen Größen <5µm, <10µm und <20µm und einem Volumenanteil von 25vol% wurden mittels PM erzeugt. Auf der einen Seite wurde das Pulver durch ein hochenergetisches Kugelmühlverfahren (BM) gemischt und auf der anderen Seite wurde ein Mischen in einer Flüssigkeit vorgenommen, genannt wet blending (WB). Beide Mischverfahren, sowie auch die entstandenen Gefügeunterschiede werden erläutert.<br />Mit diesen PRMs, sowie mit den unverstärkten Matrizen wird die Abhängigkeit des Kriechverhaltens von der Größe der Verstärkungspartikeln und Dispersoide, sowie der Einfluss der ausgeführten Herstellmethoden, untersucht. Der Einfluss der Herstellmethode wird durch den Vergleich der hier erhaltenen Ergebnisse mit jenen aus früheren Studien sichtbar. Die PRMs sowie auch die unverstärkten Matrixlegierungen wurden vom Autor pulvermetallurgisch in CENIM (Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas) in Madrid, Spanien, im Rahmen eines bilateralen Projektes "Acciones Integradas", hergestellt. Metallographisch charakterisiert wurden die Materialien mit Hilfe von Lichtmikroskopie, FEG-SEM und TEM kombiniert mit energiedispersiver Analyse. Das Kugelmühlverfahren sorgt für eine feine Verteilung gebrochener SiC Partikeln unabhängig von der Größenverteilung des zugesetzen Pulvers. Diese extreme Reduktion der Partikelgröße tritt beim Mischen in Flüssigkeit nicht auf. Der erhöhte Gehalt an Dispersoiden (<0.5µm) in BM Materialien gegenüber der WB Herstellung wird beschrieben. Diese Untersuchungen wurden sowohl durch E-Modul Messungen mittels DMA als auch durch Warmzugversuche vervollständigt. Parallel dazu wurden Messungen der Makrohärte vor dem Kriechen und nach einer bestimmten Kriechdauer durchgeführt. Um die Nanohärte ermitteln zu können wurde Nano indentation durchgeführt. Die Kriechtests wurden an der TU-Wien unter konstanter Temperatur von 300°C und in Luftatmosphäre bei Zugspannungen von 15MPa bis 70MPa ausgeführt. Die unverstärkte Matrix, welche mit BM präpariert wurde, zeigt eine niedrigere Kriechrate als jene Matrix die nicht mit BM gemischt wurde.<br />Diese Steigerung der Kriechbeständigkeit entsteht durch die Oxide, welche durch das BM vom Matrix Pulver entstehen. Die Kriechrate aller Komposite, die mit BM hergestellt wurden, ist erheblich geringer als jene von den WB Kompositen bei allen getesteten Zugspannungen. Dieser deutliche Anstieg der Kriechbeständigkeit der BM Materialien wird durch die Partikel <0.5µm erzielt. Unter all den BM Kompositen mit verschiedenen ursprünglichen Partikelgrößen konnte kein Unterschied der Kriecheigenschaft festgestellt werden. Hingegen zeigen jene WB Komposite mit größeren SiC Partikeln eine deutliche Verminderung der Kriechbeständigkeit, was der Tatsache zugesprochen werden kann, dass je größer die Partikel sind, desto eher wirken sie als Versetzungsquellen. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Kriechbeständigkeit von pulvermetallurgisch hergestellten Al-Legierungen durch das Zumischen steifer Verstärkungspartikel (<0.5µm), so wie es durch den Einsatz von Kugelmühlverfahren zur Pulveraufbereitung erzielt wird, erheblich gesteigert wird, jedoch durch Partikel >5µm signifikant verschlechtert wird.

A 2124 (AlCu4) Al-alloy as well as a 6061 (AlMgSi) Al-alloy with and without SiC particle reinforcement were produced by powder metallurgy (PM) and subsequently extruded. Those alloy systems were investigated to compare the obtained creep results with already existing results from conventional produced alloys. Particle reinforced materials (PRMs) with 3 different sizes of SiC reinforcing particles <5µm, <10µm and <20µm and with a volume fraction of 25vol% were produced by means of PM. On the one hand the powder was mixed by means of a high energy ball mill (BM) device and on the other hand a low energy wet blending (WB) technique was conducted. Both mixing techniques as well as the resulting differences in the microstructure are explained.<br />The dependence of the creep behavior on the size of the reinforcing particles and dispersoids as well as the effect of the conducted processing methods are investigated on these unreinforced and particle reinforced materials. The effect of the mixing technique can be seen by comparing the present results with those from previous studies. The PRMs as well as the unreinforced matrix alloys were produced by PM routes by the author himself in CENIM (Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas) in Madrid, Spain as a framework of a bilateral project called "Acciones Integradas". The metallographic investigations were carried out by means of light microscopy, FEG-SEM and TEM combined with energy dispersive analysis. Due to the BM the SiC particles are fractured and very fine spread independently of their initial size. This extreme reduction of the SiC particles is not observed during mixing within a liquid. The increased content of dispersoids (<0.5µm) present in the BM materials compared with the WB materials is investigated. The conducted investigations were completed by conducting Young´s Modulus measurements by means of a DMA device as well as high temperature tensile tests. Measurements of the macro hardness prior to creep and after a certain creep exposure time were carried out. In order to evaluate the nano hardness the nano indentation was conducted. The creep tests were done at constant temperature of 300°C in air atmosphere and for loads ranging from 15MPa to 70MPa at the Vienna University of Technology. The unreinforced matrix alloy produced by BM shows a lower creep rate than the matrix produced without BM. This increase in creep resistance can be explained by the higher oxide fraction which results during the BM of the matrix powder. The creep rate of all the composites produced by BM is significantly lower than those of the WB composites at all the applied tensile loads. This sharp increase of the creep resistance of the BM materials can be attributed to the particles <0.5µm. Among all the BM composites with different initial particle sizes no difference of the creep behavior was found. Those WB PRMs reinforced with the bigger SiC particles show a clear decrease of the creep resistance what can be attributed to the fact that the bigger particles act as dislocation sources. It is concluded that the creep resistance of Al-alloys produced by powder metallurgy can be significantly increased by adding a stiff reinforcing phase <0.5µm as it is obtained by means of BM, whereas by adding particles >5µm the creep resistance is dramatically reduced.