Characterization of the zirconium and chromium dispersoid in 7xxx aluminium alloys during the homogenization process

Abstract

This work attempts to characterize the evolution of the secondary phases, especially dispersoids, during the homogenization process of aluminium 7xxx alloys. The results will improve the parameter optimization of the simulation and at the same time validate and verify the homogenization simulation process. Four different aluminium alloys were investigated during homogenization. 7020, 7475, 7050 and TITANAL are all alloys of the 7xxx aluminium alloy series, the last one of which is a private brand of AMAG (AUSTRIA METALL AG). Samples were taken after casting, during the homogenization process and at the end of homogenization. For two alloys, 7475 and 7050, additional samples were taken after homogenization at elevated temperatures. All specimens were prepared via the dimpling method, making sure no additional chemical or thermal exposure is given. With the use of a FEI Tecnai F20, images of particles within the grains and on grain boarders were taken in TEM and STEM mode. Chemical compositions were identified via EDAX analysis. Furthermore number densities and dispersoid radii were calculated to analyse the evolution during homogenization. The only encountered dispersoid in the 7020 alloy was the Al3Zr phase. None of the Mn or Cr containing dispersoids mentioned in literature were encountered. The Al3Zr phase was distributed very inhomogeneously within the grains, meaning that in many areas no dispersoids at all were found, while other regions contained plenty of them. This made it impossible to calculate a trustworthy number density. With a maximum mean radius of 16 nm the 7020 alloy has the largest mean dispersoids radius out of all four alloys. Due to a fast heating rate, high temperature level and a short holding time, the dispersoids nucleated very heterogeneously. The high homogenization temperature seems to stimulate the nucleation of large dispersoids on Fe-containing particles. During the cooling to RT the alloy starts to form new and smaller dispersoids. 7475 is the only alloy with a Cr-containing dispersoid (Al18Mg3Cr2). The morphology of the Al18Mg3Cr2 dispersoids can be characterized in rod-like, triangular and irregular. They appear very homogeneously within the matrix. During the cooling process an increase in number density can be observed, most probably caused by the passing of lower temperature levels (below 400°C), which led to the nucleation of new dispersoids. After homogenization the samples were heated again and the ND continued to grow. This is caused by the same effect, which was already observed during cooling. Due to the shape irregularities it was not possible to analyse the size evolution. The dispersoids of the 7050 alloy (Al3Zr) show a steady decrease in number density. The reduction can clearly be linked to the holding time and the temperature level. While the number density decreases the mean radius increases up to around 12 nm at the end of homogenization and reaches a maximum of 14 nm at the last specimen. At the end of the homogenization process the sample was reheated again. This cause an increase in number density, while the mean radius decreased, indicating the precipitation of new dispersoids. The TITANAL alloy is the alloy with the highest Zr concentration, number density and volume fraction percentage. A sharp rise in number density was observed in the early stages of the homogenization process, followed by a constant decrease until the end of homogenization. Plenty of small dispersoids were encountered with a mean radius of around 4 nm at the first measured specimen and a maximum mean radius of 8 nm at the end of homogenization. This is attributed to the very low heating rate (the lowest out of all alloys under investigation) and low maximum homogenization temperature. It appears that the homogenization temperature for the TITANAL alloy strongly favours the nucleation for Al3Zr dispersoids. This finding is confirmed by the nucleation of new dispersoids in the 7050 alloy at similar temperatures in the specimen after homogenization. The comparison between the simulation and experimental results showed a good correlation. Although simulation and databases still need further improvements the general trends could be verified. Only the simulation results of the 7475 alloy had larger discrepancies with the experimental findings.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Ausscheidungsprodukten, im Besonderen mit den Dispersoiden, während der Homogenisierung einer 7xxx Legierung. Vier unterschiedliche Aluminiumlegierungen wurden während spezieller Homogenisierungsbehandlungen untersucht. 7020, 7474, 7050 und TITANAL sind alles Legierungen aus der 7xxx Serie, wobei TITANAL eine hauseigene Marke der Firma AMAG (AUSTRIA METALL AG) ist. Es wurden Proben nach dem Gießen, während der Homogenisierung und am Ende der Homogenisierungsbehandlung genommen. Für die 7475 und 7050 Legierungen wurden weiteres auch Proben nach der Homogenisierung bei erhöhter Temperatur entnommen. Alle Probenstücke wurden mittels der Dimpling Methode vorbereitet um eine zusätzliche chemische und thermische Beeinflussung zu vermeiden. Mittels eines FEI Tecnai F20 im TEM- oder STEM-Mode wurden Bilder von Partikeln im Korn als auch auf Korngrenzen aufgenommen. Die chemische Zusammensetzung wurde über eine EDX Analyse festgestellt. Des Weiteren wurde die Dispersoidendichte, der mittlere Dispersoidenradius und deren Entwicklung in der Homogenisierungsphase berechnet. Der Al3Zr Dispersoid war der einzige Dispersoid in der 7020 Legierung. Es wurden keine Mn- oder Cr-haltigen Dispersoide entdeckt, obwohl in der Literatur darauf verwiesen wird. Die Al3Zr Phase war ausgesprochen inhomogen verteilt. Oft wurden Gegenden gefunden in denen kein einziger Dispersoid angetroffen wurde, während in anderen Regionen die Matrix voll davon war. Daher war es nicht möglich eine aussagekräftige Dispersoidendichte zu berechnen. Die 7020 Legierung hat einen maximalen mittleren Radius von 16 nm, der größte gemessene Wert aller Legierungen. Bedingt durch die schneller Aufheizrate, die hohe Temperatur und die kurze Haltezeit bilden sich die Dispersoide sehr heterogen. Die hohe Homogenisierungstemperatur scheint eine Bildung auf eisenhaltigen Teilchen zu fördern. Währen des Abkühlungsprozesses, gegen Ende der Homogenisierung, bilden sich neue, kleine Dispersoide. 7475 ist die einzige untersuchte Legierung mit einem Cr-haltigen Dispersoid (Al18Mg3Cr2). Die Al18Mg3Cr2 Partikeln wurden in stab-, dreieck-, und unregelmäßige Formen vorgefunden. Sie treten sehr homogen in der Matrix auf. Während der Abkühlungsphase nimmt die Dispersoidendichte zu, wahrscheinlich begründet durch die Bildung von neuen Dispersoiden bei niedrigeren Temperaturen (<400°C). Nach dem Homogenisierungsprozess wurde die Legierung erneut erwärmt und die Dispersoidendichte steigt weiter an. Auf Grund der unregelmäßigen Form der Dispersoide konnte keine Größenanalyse durchgeführt werden. In der 7050 Legierung reduziert sich die Al3Zr Dichte konstant. Die Reduktion kann eindeutig auf die Haltezeit und die Temperatur zurückgeführt werden. Während die Dichte abnimmt, wachsen die Dispersoide auf eine Größe von 12 nm an. In der letzten Probe nach der Homogenisierungsbehandlung erreichen sie einen Radius von 14 nm. Die Zunahme der Dispersoidendichte bei der Wiedererwärmung nach der Homogenisierung, bei einer gleichzeitigen Abnahme des mittleren Dispersoidenradius, lässt auf die Bildung von neuen Dispersoiden schließen. Die TITANAL Legierung ist jene mit der höchsten Zr Konzentration, Dispersoidendichte und Volumenanteilsprozent. Die Dichte wächst zu Beginn der Homogenisierung an und fällt dann bis zum Ende des Homogenisierungsprozesses kontinuierlich ab. Eine große Anzahl an sehr kleinen Dispersoiden mit einem mittleren Radius von 4 nm in der ersten gemessenen Probe und 8 nm in der letzten Probe wurden beobachtet. Die kleine Dispersoidengröße wurde der sehr geringen Aufheizrate (die geringste in allen untersuchten Legierungen) und der geringen maximalen Homogenisierungstemperatur zugeschrieben. Die Homogenisierungstemperatur von TITANAL scheint die Bildung einer Vielzahl an Dispersoiden zu begünstigen. Diese Vermutung wird durch die Bildung von neuen Dispersoiden in den Proben nach der Homogenisierung der 7050 Legierung untermauert, welche ein ähnliches Temperaturniveau besitzen. Simulation und experimentelle Ergebnisse scheinen zu korrelieren. Obwohl die Simulation und die Datenbanken noch Verbesserungen benötigen decken sich die Trends und beide Untersuchungen zeigen ähnliche Resultate. Einzig die Simulation der 7475 Legierung stimmt nicht mit den experimentellen Ergebnissen überein.