Correlation between 3D microstructure and thermo-mechanical behavior of near eutectic piston alloys

Abstract

Die dreidimensionale (3D) Mikrostruktur der nah-eutektischen AlSi10Cu6Ni2Mg, AlSi12Cu5Ni2Mg, AlSi12Cu5Ni3Mg, AlSi12Cu5Ni2 Legierungen sowie einer hypereutektischen AlSi17Cu4Mg Legierung wurden als Funktion der Lösungsglühzeit bei einer Temperatur von 500°C mittels Synchrotron Mikrotomographie unter der Verwendung von Absorption- und Phasenkontrast-Imaging untersucht. Diese Legierungen werden durch eutektisches und primäres Si sowie von Aluminiden in einer aushärtbaren alpha-Al Matrix gebildet. Die rigiden Phasen (Si und Aluminide) bilden im Gusszustand mit einem Gehalt von ~25vol% ein dicht verbundenes lasttragendes Netzwerk, das zur Festigkeit der Legierungen beiträgt. Diese 3D Mikrostruktur wurde zusätzlich mit einer neu entwickelten Sektionierungsmethode, die mittels Ionenmühle kleine Abtragsraten während dieses Sektionierungsprozesses ermöglicht, durchgeführt. Die Entwicklung der Volumengehalte, Interkonnektivität, Kontiguität und Morphologie der Phasen wurde mittels Tomographie an denselben Proben nach 0h, 1h und 4h Lösungsglühzeit quantifiziert. Die hypereutektische AlSi17Cu4Mg Legierung zeigt eine Verringerung des Volumengehaltes der Aluminide von ~6vol% zu 4vol% nach 4h Lösungsglühen, welche auf die partielle Auflösung des, während der Erstarrung segregiertem, Al2Cu zurückzuführen ist. Des Weiteren nimmt die Interkonnektivität des Aluminidnetzwerkes dieser Legierung von ~90% auf 70% ab während die spezifische Euler Nummer um ~34% ansteigt. Diese Parameter bleiben für die nah-eutektischen Legierungen, welche 10-13vol% Aluminide mit einer Interkonnektivität von ~95-98% aufweisen, praktisch konstant. Die Euler Nummer des Aluminidnetzwerkes der nah eutektischen Legierungen bleibt ebenso konstant. Das eutektische und primäre Si besitzt eine große Kontiguität mit dem Aluminid-netzwerk insbesondere bei den nah eutektischen Legierungen, welche in einer hohen Stabilität der Interkonnektivität während des Lösungsglühprozesses resultiert. Die Quantifizierung der Interkonnektivität zeigt, dass die Ausdehnung des größten Si Partikel nach dem Lösungsglühen unverändert bleibt. Die Entwicklung der (spezifischen) Euler Nummer und der Morphologie abgeleitet von der Oberflächen-krümmungsverteilung des Si Netzwerkes zeigt bestimmte Änderungen des Netzwerkes nach 1h lösungsglühen. Das Hybridnetzwerk aus Si und Aluminiden zeigt Veränderungen in der Si Interkonnektivität, die eine Konsequenz der beobachteten Entwicklung der individuellen Netzwerke während des Lösungsglühens darstellt. Die tomographischen Ergebnisse werden mit Druck- (RT, 300°C, 380°C) und Zugfestigkeiten (300°C, 380°C) sowie mit dem thermomechanischen Ermüdungswiderstand der Legierungen nach denselben Lösungsglühzeiten korreliert, um die mikrostrukturellen Parameter für deren Verhalten zu identifizieren.

The three-dimensional (3D) microstructure of near-eutectic AlSi10Cu6Ni2Mg, AlSi12Cu5Ni2Mg, AlSi12Cu5Ni3Mg, AlSi12Cu5Ni2 alloys and that of a hypereutectic AlSi17Cu4Mg alloy is studied as function of solution treatment (ST) time at 500°C by synchrotron microtomography using absorption and phase contrast imaging. The alloys are formed by eutectic plus primary Si and aluminides embedded in an age hardenable --Al matrix. The rigid phases (Si and aluminides) in as-cast condition with an amount of ~25vol% form a highly interconnected network able to carry load and, thus, contribute to the strength of the alloys. This 3D microstructure is additionally investigated by a newly developed serial sectioning method using an ion mill to obtain small depth removal during the sectioning procedure. The evolution of the volume fraction, interconnectivity, contiguity and morphology of phases are quantified from tomographies of the same sample after 0h, 1h and 4h ST. The hypereutectic AlSi17Cu4Mg alloy shows a decrease in the volume fraction of aluminides from ~6vol% to 4vol% after 4h ST owing to partial dissolution of Al2Cu segregated during solidification. Furthermore, the interconnectivity of the aluminides network in this alloy decreases from ~90% to ~70% while, the specific Euler number shows an increase of ~34%. These parameters remain practically constant for the near-eutectic alloys, which present 10-13vol% of aluminides with ~95-98% inter-connectivity. The (specific) Euler numbers of the networks of aluminides in the near eutectic alloys remain constant as well. The eutectic and primary Si present a large contiguity with the aluminides network, especially for the near eutectic alloys, which results in high stability of the inter-connectivity during the solution heat treatments. Quantification of the interconnectivity shows that the size of the largest Si particle is stable after solution treatment. The evolution of the (specific) Euler Number and the morphology derived from the surface curvature distribution of the Si network show distinct changes in the network after 1h ST. The hybrid network formed by Si and aluminides shows Si interconnectivity changes that are a consequence of the evolution observed for the individual networks during solution treatment. The tomographic results are correlated with the compressive (RT, 300°C, 380°C) and tensile strength (300°C, 380°C) as well as the thermo-mechanical fatigue resistance of the alloys after the same ST times aiming at identifying the microstructural parameters responsible for their behavior.