MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798382761756
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31292766
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a620
■1001  ▼aEkaputra,  Clement  Nevin.▼0(orcid)0000-0003-0716-6479
■24510▼aHierarchically-Strengthened,  Cast  and  Additively-Manufactured  Aluminum  Alloys  for  High-Temperature  Applications
■260    ▼a[Sl]▼bNorthwestern  University▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a361  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-11,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Dunand,  David  C.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Northwestern  University,  2024.
■520    ▼aThis  thesis  aims  to  develop  new,  cast  and  additively-manufactured,  aluminum  alloys  for  lightweight,  high-temperature  structural  applications,  based  on  combinations  of  coarsening-resistant  strengthening  phases  for  high  thermal  stability  and  creep  resistance.  Alloy  compositions  were  designed,  then  fabricated  by  casting  and  laser  powder-bed  fusion  (L-PBF)  additive  manufacturing.  Then,  the  evolution  of  their  microstructure  and  mechanical  properties  during  thermal  exposure  at  300-400°C  was  experimentally  characterized  as  a  function  of  both  composition  and  processing.The  first  half  of  this  work  details  the  development  and  characterization  of  a  new,  cast  Al-Ce-Ni-Mn-Sc-Zr  alloy  system.  Combinations  of  the  various  elements  are  studied  systematically,  to  understand  the  effects  of  each  alloying  element  on  the  resulting  microstructure  and  mechanical  properties.  Compositions  are  designed  to  maximize  the  effects  of  the  strengthening  phases  in  the  alloy  while  avoiding  unwanted,  harmful  phases  resulting  from  interactions  between  the  various  alloying  elements.Firstly,  in  cast  Al-Ce-Sc-Zr-(Er)  alloys,  it  is  found  that  such  alloys  consist  of  micron-scale,  Al11Ce3  platelets  formed  during  eutectic  solidification  in  the  Al-Ce  system,  and  nano-scale,  L12-Al3(Sc,Zr,Er)  precipitates  formed  during  secondary  aging  from  Sc,  Zr,  and  Er  addition.  The  Al11Ce3  and  L12  phases  form  mostly  independently  of  each  other,  except  in  a  Zr-rich  and  Er-containing  alloy  where  scavenging  of  Er  and  Si  by  Al11Ce3  on  solidification  reduces  the  kinetics  of  precipitation  and  number  density  of  the  L12  precipitates.  In  an  Sc-rich  alloy,  however,  the  creep  strain  rate  at  300°C  is  reduced  by  as  much  as  five  orders  of  magnitude  in  the  Al11Ce3-  and  L12-strengthened  alloy  compared  to  alloys  containing  only  L12  precipitates.  This  improvement  is  due  to  the  combination  of  load  transfer  and  precipitation-strengthening  from  the  Al11Ce3  micro-platelets,  and  precipitation  strengthening  from  the  L12-Al3(Sc,Zr)  nanoprecipitates.Next,  the  effects  of  Mn  on  the  Al-Ce  system  are  studied.  Small  Mn  additions  (~0.4  at.%)  remain  in  solid  solution  in  the  α-Al  matrix,  and  excess  Mn  results  in  coarse,  primary  Al20CeMn2  precipitates.  These  Mn  solutes  provide  solid-solution  strengthening  both  at  room  temperature  and  during  creep.  Furthermore,  an  Al-Ce-Mn-Sc-Zr  alloy  combines  all  three  of  the  aforementioned  strengthening  mechanisms  for  enhanced  creep  resistance.In  the  final  part  of  the  cast  alloy  work,  the  effects  of  Ni  additions  on  the  microstructure  and  mechanical  properties  of  the  previously-designed  Al-Ce-Mn-Sc-Zr  alloy  are  studied.  The  primary  and  eutectic  phase  formation  are  found  to  vary  with  both  Ni  content  and  cooling  rate.  For  higher  Ni  content  and  slower  solidification  rates,  Ni  forms  an  Al27Ce3Ni6  phase  (both  primary  and  eutectic),  while  for  lower  Ni  content  and  faster  solidification  rates,  Ni  forms  an  Al9(Ni,Mn,Fe)2  phase.  An  alloy  containing  3.2  wt.%  Ni  is  selected  for  further  study,  and  the  resulting  alloy  contains  four  strengthening  constituents:  micron-scale  (i)  Al11Ce3  and  (ii)  Al27Ce3Ni6  or  Al9(Ni,Mn,Fe)2  platelets,  all  formed  during  eutectic  solidification,  (iii)  L12-Al3(Sc,Zr)  nanoprecipitates  formed  during  secondary  aging,  and  (iv)  Mn  solute  atoms  in  the  α-Al  matrix.  This  alloy  shows  higher  hardness  during  aging  and  creep  resistance  than  alloys  containing  subsets  of  the  four  strengthening  constituents,  indicating  that  cumulative  strengthening  can  be  achieved  by  combination  of  these  strengthening  mechanisms.  This  final  alloy  also  shows  a  high  dislocation  creep  threshold  stress  of  62  MPa  at  300°C.The  second  half  of  this  work  focuses  on  the  design  of  aluminum  alloys  for  L-PBF  additive  manufacturing.  The  effect  of  rapid  solidification,  inherent  to  the  L-PBF  process,  on  the  microstructure  and  mechanical  properties  is  emphasized,  with  comparison  to  the  respective  cast  alloys.  Furthermore,  attention  is  given  to  alloying  elements  which  are  typically  not  useful  in  cast  alloys,  but  may  provide  beneficial  properties  under  the  extreme  L-PBF  processing  conditions.A  similar  Al-Ce-Ni-Mn-Sc-Zr  alloy  to  the  previously  designed  cast  alloy  is  processed  by  L-PBF,  and  contains  the  same  four  strengthening  constituents  as  in  the  cast  alloy.  However,  the  eutectic  Al11Ce3  and  Al27Ce3Ni6  phases  are  greatly  refined  by  the  rapid  solidification  process,  resulting  in  greatly  enhanced  strength  and  creep  resistance.  Non-stoichiometric  phase  compositions  are  also  found  in  the  peak-aged  state,  which  shift  to  equilibrium  compositions  during  over-aging.  During  early  stages  of  aging  at  300-400°C,  the  strength  of  the  alloy  rapidly  decreases  due  to  fragmentation  of  the  continuous  eutectic  network  structure,  then  gradually  declines  due  to  the  subsequent  particle  coarsening.  The  importance  of  the  various  strengthening  mechanisms  in  the  alloy  are  also  explored  via  analytical  and  numerical  modelling,  and  it  is  found  that  direct  precipitation  strengthening  from  the  eutectic  precipitates  is  the  dominant  creep  strengthening  mechanism  in  the  alloy.To  study  the  possibility  of  enhanced  solid-solution  strengthening  in  L-PBF  processed  alloys,  simpler,  ternary  Al-Zr-X  alloys  are  studied,  where  X  =  Mn,  Cr,  V,  Mo,  and  W  are  slow-diffusing  transition  metal  elements.  These  alloys  contain  both  L12-Al3Zr  nanoprecipitates  formed  during  aging  at  400°C,  and  solid  solutions  of  the  ternary  alloying  element  in  amounts  well  beyond  their  equilibrium  solubility  limits.  These  extended  solid  solutions  markedly  enhance  strength  and  creep  resistance  at  400°C  compared  to  the  binary  Al-Zr  alloy.  While  the  rate  of  decomposition  of  these  solid  solutions  during  aging  varies  based  on  their  relative  diffusivities,  their  contribution  to  the  room-temperature  strength  and  high-temperature  creep  resistance  is  independent  of  the  solute  diffusivity.Lastly,  these  slow-diffusing  solute  elements  (Mn,  Cr,  V,  Mo,  and  W)  are  studied  in  L-PBF  processed  ternary  Al-Ce-X  alloys.  These  ternary  Al-Ce-X  alloys  consist  of  a  hypereutectic  microstructure,  containing  a  high  volume  fraction  of  interconnected,  eutectic  Al11Ce3  precipitates  and  submicron,  equiaxed  Al20CeX2  precipitates.  These  Al20CeX2  precipitates  are  isomorphous  among  the  five  ternary  alloys.  The  Al20CeX2  precipitates  are  also  highly  coarsening-resistant  due  to  the  extremely  slow  diffusivity  of  the  ternary  element,  resulting  in  greater  retention  of  strength  during  thermal  exposure  at  400°C.  Furthermore,  these  coarsening-resistant  Al20CeX2  precipitates  also  substantially  improve  alloy  creep  resistance,  increasing  the  threshold  stress  for  dislocation  creep  at  300°C  from  ~32  MPa  for  the  binary  Al-Ce  alloy  to  ~77-100  MPa  for  the  ternary  Al-Ce-X  alloys,  and  at  400°C  from  40  MPa  for  the  ternary  Al-Ce-V  alloy.The  direct  scientific  outcome  of  this  work  is  to  further  understand  a  relatively  new  alloy  system  (Al-Ce),  and  the  impact  of  alloying  additions  (Sc,  Zr,  Er,  Mn,  Ni,  Cr,  V,  Mo,  W)  and  processing  technique  (casting  vs.  L-PBF)  on  the  resulting  evolution  at  high  temperatures  of  microstructure  and  mechanical  properties.  This  work  also  results  in  new,  cast  and  additively-manufactured  alloys  with  extreme  high-temperature  mechanical  properties,  for  improved  performance  of  lightweight,  elevated-temperature  applications.  Future  directions  are  proposed  to  (i)  further  improve  understanding  of  composition  and  processing  on  the  properties  of  the  Al-Ce-Ni-Mn-Sc-Zr  alloy  system,  (ii)  design  new,  L-PBF  specific  alloys  with  improved  high-temperature  mechanical  properties  based  on  the  strengthening  mechanisms  explored  here,  and  (iii)  improve  fundamental  understanding  of  structure-property  relationships  in  complex  eutectic-structured  and  hierarchically-strengthened  alloys.
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■71020▼aNorthwestern  University▼bMaterials  Science  and  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-11B.
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■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17161548▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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