Physics-based investigation of relative β-α AlFeSi phase stabilities in two Al-alloys

Abstract

Eisen ist die Hauptverunreinigung in Aluminiumwerkstoffen. Daher bilden sich während dem Prozess eisenhaltige, intermetallische Phasen. Diese entstehen bereits beim Guss und der darauf folgenden Erstarrung des Materials. Die Phase, die in diesem Schritt entsteht, ist die sogenannte beta-Phase. Diese ist aufgrund ihrer Partikelform für den nachfolgenden Umformungsprozess unerwünscht. Die beta-Phase kristallisiert in Platten (3D) beziehungsweise nadelförmig (2D), mit spitzen Kanten und Ecken, die in weiterer Folge Risse auslösen können. Daher muss das Material zuerst wärmebehandelt (homogenisiert) werden, um die spitzen Partikel in kleinere, rundere Partikel umzuwandeln, die sogenannte alpha-Phase. Ziel dieser Arbeit ist es, die beta-zu-alpha-Umwandlung anhand von zwei Legierungen (AA6063und AA6082) näher zu beschreiben. Um die intermetallischen Partikel untersuchen zu können, wurde die Aluminiummatrix aufgelöst und die Partikel mittels Röntgen Pulverdiffraktometrie gemessen. Weiters wurde ein zeitlicher Verlauf der Umwandlung aufgenommen, dazu wurde die Proben unterschiedlich lange homogenisiert (1, 2, 4, und 8 Stunden). Zusätzlich wurden Schliffproben angefertigt, um diese mittels Lichtmikroskopie und dem Programm ImageJ auszuwerten. Die Ergebnisse wurden mit jenen der Röngten Pulverdiffraktometrie Messungen verglichen. Zur Auswertung der Lichtmikroskopiebilder wurden zwei Parameter gewählt, das Längen-zu-Breiten-Verhältnisses und die Curcularity. Durch die Wahl geeignter Werte für diese Parameter, konnten die Ergebnisse der Phasenanteile dieser Messung an die Werte der Röngten Pulverdiffraktometrie Messungen angepasst werden. Somit ist die Auswertung mit ImageJ ein adequates, zeitsparendes Werkzeug, um den Phasenanteil der Legierung zu bestimmen. Abschließend wurde die Umwandlung untersucht, dazu wurden Proben am TEM in einem in-situ Aufheizversuch analysiert. Es zeigte sich, dass es bei der AA6082 Legierung zu einer vollständigen Umwandlung der beta-Teilchen nach vier Stunden bei 560°C kommt. Während bei der AA6063 ein maximaler Phasenanteil an alpha Teilchen von 80 % bei 580°C nach zwei Stunden erreicht wird. Zudem konnte bei beiden Legierungen festgestellt werden, dass der Großteil der Umwandlung bereits innerhalb der ersten Stunde des Homogenisierungsprozesses stattgefunden hat.

Iron is the main impurity in aluminium materials. Therefore, iron rich intermetallic precipitates form during the process. These are formed during casting and the subsequent solidification of the material. The phase that is formed in this step is the so-called beta-phase.This phase is undesirable for the subsequent forming process due to its particle shape. The beta-phase crystallises plate-like (3D) or needle-shaped (2D), with sharp edges and corners that can subsequently induce cracks. Therefore, the material must first be heat treated (homogenised) to convert the sharp particles into smaller, more rounded particles, theso-called alpha-phase.The aim of this work is to describe the beta-to-alpha-transformation in more detail usingtwo alloys (AA6063 and AA6082). In order to investigate the intermetallic particles,the aluminium matrix was dissolved and the particles were measured by X-ray powderdiffraction. Furthermore, a time course of the transformation was recorded, for which the samples were homogenised for different times (1, 2, 4 and 8 hours). Additionally, ground samples were prepared for evaluation by light microscopy and ImageJ. The results were compared with those of the X-ray powder diffraction measurements. By selecting the appropriate parameters (aspect ratio and circularity of the particles), the results obtained by light microscopy and ImageJ could be fitted to the results of the phase fractions obtained by X-ray diffraction measurements. Thus, the evaluation with ImageJ is an adequate, time-saving tool to determine the phase fraction of the alloy. Finally, the transformation was investigated by analysing samples on the transmissionelectron microscopy in an in-situ heating test. The AA6082 alloy showed a complete transformation of the -particles after four hours at 560°C . While in AA6063 a maximum of alpha-phase fraction of 80 % at 580°C was reached after two hours. In both alloys, it was observed that most of the transformation took place in the first hour of homogenisation and the following transformation was only marginally.