Influence of Mg and Si Content in Aluminum Alloys on Dynamically Recrystallized Microstructure During Solid-state Joining Using Friction Surfacing
Friction Surfacing is a friction-based solid-state joining technology with the potential to locally modify component properties. During Friction Surfacing, the joining partners, consumable stud and substrate, are joined in solid phase. In this process, the deposited material undergoes severe plastic deformation at elevated temperatures (≈ 0.8 Tliquidus) and is dynamically recrystallized. In addition to fundamental material properties such as heat capacity and strength, material-specific dynamic microstructural mechanisms have a major impact on the effective flow stresses. The influence of alloying elements in metals on the under these extreme thermal and mechanical loading conditions has not been sufficiently investigated to date. Furthermore, the stacking fault energy are affected by the alloying elements, which influence the sliding properties of dislocations as well as the plastic formability and recrystallization behavior. The hypothesis is that the stacking fault energy and secondary phases play a crucial role in the Friction Surfacing process properties, coating characteristics, and the onset of dynamic recrystallization.
Custom-made cast aluminum alloys are processed using Friction Surfacing. In this context, the alloys differ only in Si and Mg content, and so this influence can be investigated. Process characteristics, coating geometries, and material deposition efficiencies are all determined in experimental welds, which are carried out at the Helmholtz-Zentrum Hereon in Geesthacht. The correlations of these characteristics with the microstructural events in the alloys, in particular dynamic recrystallization, are analyzed by optical light microscopy and electron microscopy methods at the University of Duisburg-Essen. The precipitation and dissolution processes of phases in the solid solution occurring are investigated by analytical methods such as differential scanning calorimetry and energy dispersive X-ray spectroscopy, and correlated with the respective Al-Mg-Si alloy and its processing state.
Pronounced shear flow localization is observed for increasing content of alloying elements, yielding fine-grained flow lines with preferred crystal orientations. Further, the change in stacking fault energy with increasing content of alloying elements resulted in lower recrystallized grain size and higher grain orientation differences, due to a lower tendency for dislocation annihilation by recovery. Secondary phase particles increase with Mg or Si content, spheroidize during processing and influence the formation of the dislocation cell structure through both particle-stimulated nucleation and Zener pinning. Dissolution and re-precipitation of strength-enhancing precipitates take place, while dislocation loops in the microstructure being an indicator of dynamic precipitation, which influences the mechanical properties of the Friction Surfacing coating.
A structured investigation of the effects on the processing behavior and resulting microstructure when a single alloying element, Mg or Si, is changed in an Al-based alloy is carried out. This novel approach is based on the assumption that in otherwise similar alloys the stacking fault energy and secondary phase particle interactions are crucial for the Friction Surfacing process characteristics, the coating properties and the recrystallized microstructure. The results show the validity of this assumption and are discussed in terms of additional possible impacts of the alloy composition.Friction Surfacing ist eine reibbasierte Festphase-Fügetechnologie mit dem Potential Bauteileigenschaften lokal zu modifizieren. Beim Friction Surfacing werden die Fügepartner, Reibbolzen und Substrat, in fester Phase miteinander verbunden. Dabei erfährt das Auftragsmaterial extreme plastische Verformung (Severe Plastic Deformation) bei erhöhten Temperaturen (≈ 0.8 Tliquidus) und wird dynamisch rekristallisiert. Neben grundlegenden Werkstoffeigenschaften wie Wärmekapazität und Festigkeit, wirken sich werkstoffspezifische dynamische mikrostrukturelle Mechanismen stark auf die aktiven Fließspannungen aus. Der Einfluss der Legierungselemente in Metallen unter diesen extremen thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen ist bis heute nicht ausreichend erforscht. Die Hypothese ist, dass die Stapelfehlerenergie und die sekundären Phasen eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften des Friction Surfacing-Prozesses, die Beschichtungseigenschaften und den Beginn der dynamischen Rekristallisation spielen.
Maßgefertigte speziell gegossene Aluminiumlegierungen werden unter Verwendung von Friction Surfacing verarbeitet. Hierbei unterscheiden sich die Legierungen im Si- und Mg-Gehalt, sodass der Einfluss des Legierungsgehaltes untersucht werden kann. In Versuchsschweißungen, welche am Helmholtz-Zentrum Hereon in Geesthacht durchgeführt werden, werden Prozesscharakteristika, Schichtgeometrien und Materialeffizienzen ermittelt. Die Zusammenhänge dieser Größen mit den mikrostrukturellen Vorgängen in den Legierungen, insbesondere der dynamischen Rekristallisation, werden mittels Optischer Lichtmikroskopie und Elektronen-Mikroskopie an der Universität Duisburg-Essen analysiert. Die im Zuge der hohen Wärmegradienten auftretenden Ausscheidungs- und Auflösungsprozesse von Phasen im Mischkristall werden mittels Analysemethoden wie Dynamischer Differenzkalorimetrie und Energiedispersiver Röntgenspektroskopie untersucht und mit der jeweiligen Al-Mg-Si Legierung und dessen Zustand korreliert.
Mit zunehmendem Gehalt an Legierungselementen wird eine ausgeprägte Scherflusslokalisierung beobachtet, die zu feinkörnigen Fließlinien mit bevorzugten Kristallorientierungen führt. Darüber hinaus führt die Änderung der Stapelfehlerenergie mit zunehmendem Gehalt an Legierungselementen zu einer geringeren rekristallisierten Korngröße und höheren Unterschieden in der Kornorientierung, was auf eine geringere Tendenz zur Versetzungsannihilation durch Erholung zurückzuführen ist. Sekundärphasenteilchen nehmen mit dem Mg- oder Si-Gehalt zu, sphäroidisieren während der Verarbeitung und beeinflussen die Bildung der Versetzungszellenstruktur sowohl durch teilchenstimulierte Keimbildung als auch durch Zener-Pinning. Die Auflösung und Wiederausscheidung von festigkeitssteigernden Ausscheidungen findet statt, während Versetzungsschleifen im Gefüge ein Indikator für dynamische Ausscheidungsbildung sind, die die mechanischen Eigenschaften der Friction Surfacing Beschichtung beeinflussen.
Es wird eine strukturierte Untersuchung der Auswirkungen auf das Verarbeitungsverhalten und das resultierende Mikrogefüge durchgeführt, wenn ein einzelnes Legierungselement, Mg oder Si, in einer Al-Basislegierung verändert wird. Dieser neuartige Ansatz basiert auf der Annahme, dass in ansonsten ähnlichen Legierungen die Stapelfehlerenergie und die Wechselwirkungen der Sekundärphasenteilchen entscheidend für die Prozessmerkmale des Friction Surfacing, die Schichteigenschaften und das rekristallisierte Gefüge sind. Die Ergebnisse zeigen die Gültigkeit dieser Annahme und werden im Hinblick auf weitere mögliche Auswirkungen der Legierungszusammensetzung diskutiert.