Investigation of intermetallic phases in thermally treated Al 6xxx alloys

Abstract

Die Untersuchung intermetallischer Phasen in Aluminiumlegierungen der Serie 6xxx ist entscheidend für die Optimierung der mechanischen Eigenschaften und die Steuerung der Mikrostrukturentwicklung während des Herstellungsprozesses. Ihre Morphologie, Größe und Verteilung beeinflussen sowohl das mechanische Verhalten des Materials unter äußerer Belastung als auch seine Hochtemperaturverformung. Darüber hinaus werden die mikrostrukturellen Eigenschaften, einschließlich der Korngröße und der Keimbildungsstellen für die Aushärtung, beeinflusst. Legierungselemente wie Mn oder Cr haben sich als vorteilhaft für die Steuerung der Stabilität intermetallischer Phasen erwiesen, da sie mit den zwangsläufig vorhandenen Fe-Atomen interagieren. Diese Arbeit untersucht die Kinetik der Nukleation, des Wachstums und der Auflösung intermetallischer Phasen während industrieller Homogenisierungswärmebehandlungen. Untersucht werden zwei Legierungen, AA6063 und AA6082, mit unterschiedlichem Mn-Gehalt. Es werden Calphad-basierte Simulationen mit MatCalc durchgeführt, um das Verhalten der wichtigsten intermetallischen Phasen zu untersuchen: α-Al15(Fe,Mn)3Si2 und β-Al4,5FeSi. Besonderes Augenmerk wird auf die technologisch kritische β→α-Umwandlung und die Nukleation, das Wachstum und die Verteilung der α-Dispersoide innerhalb der Al-Matrix gelegt. Die In-situ-Hochenergie-Röntgendiffraktometrie (HEXRD) dient als grundlegende experimentelle Technik und ermöglicht die zeitaufgelöste Charakterisierung der Mikrostruktur vom Gusszustand bis zur vollständigen Homogenisierung über mehrere Temperaturen und Aufheizraten hinweg. Eine umfassende Prozessanalyse, die sich bis zur Abkühlung/Erwärmung nach der Homogenisierung vor dem Strangpressen erstreckt, quantifiziert die Ausscheidung von MgSi-Phasen: stabiles β-Mg2Si, sowie metastabiles β′-Mg1.8Si und B′-Al4Mg8Si7. Diese Erkenntnisse liefern grundlegende Einblicke in Strategien zur Steuerung der intermetallischen Phasen, um die Strangpressbarkeit und die endgültigen Eigenschaften von 6xxx-Legierungen zu verbessern.

The study of intermetallic phases in 6xxx-series aluminum alloys is critical for optimizing the mechanical properties and controlling the microstructural evolution during processing. Their morphology, size, and distribution affect both the material's mechanical response to external loading and its high-temperature deformation. In addition, the intermetallic phases influence key microstructural features, including grain size control and the availability of nucleation sites for hardening precipitates. Alloying elements like Mn or Cr have proven advantageous for controlling the stability of intermetallic phases by interacting with the inevitably present Fe atoms. This thesis investigates the kinetics of intermetallic phase nucleation, growth, and dissolution during industrial homogenization heat treatments. Two alloys, AA6063 and AA6082, with varying Mn content, are investigated. Calphad-based MatCalc simulations performed with MatCalc are used to study the behavior of key intermetallic phases: α-Al15(Fe,Mn)3Si2 and β-Al4.5FeSi. Particular emphasis is placed on the technologically critical β→α transformation and the nucleation, growth, and distribution of α-dispersoids within the Al matrix. In-situ high-energy X-ray diffraction (HEXRD) serves as the cornerstone experimental technique, enabling the time-resolved microstructural characterization from as-cast through complete homogenization across multiple temperatures and heating rates. A comprehensive through-process analysis extended to post-homogenization cooling/heating prior to extrusion, quantifying the precipitation of MgSi-phases: stable β-Mg2Si, as well as metastable β′-Mg1.8Si and B′-Al4Mg8Si7. These findings provide fundamental insights into strategies for controlling intermetallic phases to improve extrudability and final properties in 6xxx alloys.