3D characterization of microstructure evolution of cast AlMgSi alloys by synchrotron tomography

Abstract

AlMgSi Gusslegierungen werden häufig in der Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet. Diese mehrphasigen Legierungen enthalten eingebettet in einer duktilen alpha-Al Matrix eine rigide eutektische Mg2Si Phase. Das System verhält sich ähnlich einem Verbundwerkstoff bei dem die interne Architektur der eutektischen Phase einen zentralen Einfluss auf das makroskopische Materialeigenschaften besitzt. Bereits in früheren Studien wurde das Verhältnis zwischen der Morphologie der eutektischen Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften des Materials ausführlich untersucht. Anhand der internen Architektur der eutektischen Phase, die von den Gussbedingungen oder Wärmebehandlungen abhängt, können die mechanischen Eigenschaften des Materials gezielt eingestellt werden. Zur quantitativen Untersuchung von Änderungen der besagten Mikrostruktur während der Erstarrungs- und Wärmebehandlungsvorgänge wird ein zerstörungsfreies 3D Bildgebungsverfahren benötigt.<br />Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Entstehung der Mikrostruktur der beiden AlMgSi Gusslegierungen AlMg7.3Si3.5 und AlMg4.7Si8, wobei erstere ein Mg:Si Verhältnis oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses von Mg2Si besitzt während zweitere darunter liegt. In in situ Experimenten wurde die Entwicklung der alpha-Al Dendriten und der eutektischen Struktur während der Erstarrung mittels Synchrotron Tomographie verfolgt und quantifiziert. Die morphologische Entwicklung der eutektischen Mg2Si während dem Lösungsglühen wurde mittels ex situ Synchrotron Tomographie studiert.<br />Quantitative Ergebnisse der morphologischen Übergänge wurden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Härte und Warmfestigkeit des Materials untersucht.<br />Der Erstarrungungsprozess der Legierungen wurde während des gesamten Abkühlvorganges vom flüssigen bis zum vollständig erstarrten Zustand mittels in situ Synchrotron Tomographie analysiert. So konnten die Abfolge der Erstarrungsvorgänge und die morphologische Entwicklung der erstarrenden Phasen lückenlos studiert werden. Analysen der Tomographievolumen zeigen, dass das dendritische Wachstum beider Legierungen durch eine Vergröberung der sekundären dendritischen Arme charakterisiert ist, und diese Arme an der eutektischen Temperatur schließlich eine Tropenform annehmen. Während der Erstarrung verschwinden kleinere sekundäre dendritische Arme während größere kontinuierlich wachsen und sich letztlich vereinigen. Die eutektische Erstarrung beginnt an der Grenzfläche zwischen Schmelze und den alpha-Al sekundären dendritischen Armen. Der Volumenanteil eutektischer Mg2Si Partikel steigt während der Erstarrung, wobei die Wachstumsrate der größten Mg2Si Partikel überdurchschnittlich hoch ist. Außerdem steigt während der Vereinigung der wachsenden Partikel die Interkonnektivität der eutektischen Mg2Si Phase monoton. Die Erstarrungsfolge der Phasen wurde aus Ergebnissen der in situ Bildaufnahmen und Differential-Scanning Kalorimetrie ermittelt und mit thermodynamischen Simulationen abgeglichen.<br />Die Entwicklung der Mikrostruktur während des Lösungsglühens bei einer Temperatur von 540°C wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie und ex situ Synchrotron Tomographie untersucht. Im Gusszustand besitzt die eutektische Mg2Si Phase bei beiden Legierungen eine hohe Interkonnektivität. Während des Lösungsglühens erfährt die eutektische Mg2Si Phase jedoch signifikante morphologische Umwandlungen in Form eines Zerfalles der interkonnektiven korallenartigen Struktur gefolgt von einer Sphäroidisierung der Zerfallsprodukte. Ähnliche Umwandlungen erfährt das tertiäre eutektische Si, das aufgrund des Si-Überschusses in der AlMg4.7Si8 Legierung entsteht. Die morphologische Umwandlung während des Lösungsglühens wurde mit Ergebnissen von Warmkompressionsversuchen bei 300°C und Härteprüfungen bei Raumtemperatur abgeglichen. Die Härte und Warmfestigkeit der untersuchten Legierungen sinken während dem Lösungsglühen als Folge des Verlustes an Interkonnektivität der eutektischen Mg2Si Struktur.<br />

Cast AlMgSi alloys are well established for automotive and aerospace industry. These alloys are multiphase materials containing a rigid eutectic phase of Mg2Si embedded in the ductile alpha-Al matrix.<br />This system acts like a composite material where the internal architecture of the eutectic phase plays a vital role in the macroscopic behaviour. Extensive studies have been performed before to reveal the relation between the morphology of the eutectic microstructure and the mechanical properties of the material. Through the internal architecture, which can be modified by varying the casting conditions or applying heat treatments, the mechanical properties of the material can be tailored. To follow and quantify the changes in the microstructure the application of a non destructive 3D imaging technique is necessary. The aim of this work is to study the evolution of the microstructure of two cast AlMgSi alloys: an AlMg7.3Si3.5 alloy, with an Mg:Si ratio above the stoichiometric Mg2Si ratio and an AlMg4.7Si8 with an Mg:Si ratio below the stoichiometric Mg2Si ratio. The development of the alpha-Al dendrites and of the eutectic structure have been followed and quantified by synchrotron tomography during in situ solidification tests. The transformation of the eutectic Mg2Si morphology during solution heat treatment was investigated by ex situ synchrotron tomography. The quantitative results of the morphological changes are correlated with the changes in the elevated temperature strength and hardness of the investigated materials.<br />The solidification of the alloys has been investigated by in situ synchrotron tomography during continuous cooling from liquid to solid state in order to follow the solidification sequence and thus study qualitatively and quantitatively the morphological evolution of the solidifying phases. The analysis of the tomographies shows that the dendritic growth of both alloys is characterized by a coarsening of the secondary dendritic arms ending up in a drop-like shape at the eutectic temperature. This means that during solidification the smaller secondary dendrite arms disappear, while the larger ones continue to grow resulting in the coalescence of the secondary dendritic arms. The onset of the eutectic solidification takes place at the interface in the liquid between alpha-Al secondary dendritic arms. The volume fraction of the eutectic Mg2Si particles increases during solidification, with a growth rate of the largest Mg2Si particle higher than the average. The level of interconnectivity of the eutectic Mg2Si phase shows a monotonic increase while the growing particles coalesce. The solidification sequences of the phases are determined based on in situ imaging and the Differential Scanning Calorimetry results and are correlated with thermodynamical simulations.<br />The evolution of the microstructure during solution heat treatment at 540°C was investigated by means of Scanning Electron Microscopy and ex situ synchrotron tomography. The eutectic Mg2Si phase, which presents a highly interconnected structure in the case of both materials in as-cast condition, undergoes significant morphological changes during solution heat treatment. This transformation is characterized by a disintegration of the interconnected seaweed-like structure followed by a spheroidisation of the disintegrated fractions of the eutectic branches.<br />The ternary eutectic Si resulting from the Si-surplus in AlMg4.7Si8 undergoes similar changes. The morphological evolution during solution treatment is correlated with results from elevated temperature compression tests at 300°C and room temperature hardness tests. The eleveated temperature strength and the hardness of the investigated alloys decrease during solution heat treatment as a consequence of the loss of interconnectivity of the eutectic Mg2Si structure.<br />