Processing and properties of high performance 7075 Al and AZ91 Mg powder metallurgy alloys

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dc.contributor.advisor Torralba Castello, José Manuel
dc.contributor.author Jabbari Taleghani, Mohammad Ali
dc.date.accessioned 2015-06-08T08:48:52Z
dc.date.available 2015-06-08T08:48:52Z
dc.date.issued 2014-11
dc.date.submitted 2014-11-26
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/20871
dc.description Esta tesis contiene artículos de investigación en anexo.
dc.description.abstract Aluminum (Al) and magnesium (Mg) alloys have received considerable attention over the past decades as potential materials of choice to achieve significant weight savings. Although the market for Al and Mg products continues to grow, many opportunities remain untapped because of the low stiffness and strength of Al and Mg alloys in comparison with ferrous alloys and some other structural materials. On the other hand, grain refinement is considered an effective way to increase the strength of metallic materials. In recent years, high-energy milling has been widely exploited for the production of nanostructured materials, and grain sizes with nanometer dimensions have been observed in almost all high-energy milled pure metals, metallic alloys, and intermetallic compounds. Although the processing and characterization of nanostructured Al alloys and composites by mechanical alloying has been the subject of many studies, studies on the high-energy milling of Mg alloys are scarce. It should also be considered that to be suitable for structural applications, the nanocrystalline Al and Mg powders produced by mechanical alloying should then be consolidated to bulk materials. The consolidation route can have significant effects on the microstructure and mechanical properties of the processed bulk product. However, to the best of our knowledge, there are no systematic studies comparing the effects of different consolidation routes on the microstructure and mechanical properties of the bulk products processed from mechanically alloyed Al and Mg powders. The research work presented in this thesis was aimed to produce high-performance Al and Mg alloys via powder metallurgy using different powder processing techniques and consolidation routes and to understand the effects of consolidation route and its process variables through undertaking a comprehensive study of the microstructural and mechanical characteristics of consolidated alloys. The raw materials used for this study were a commercially available premixed Al–Zn– Mg–Cu powder, i.e. Alumix 431D with a chemical composition equivalent to 7075 Al alloy, and two different kinds of AZ91 Mg alloy powder produced by mechanical grinding and atomization. Mechanical alloying was then optimized to produce nanostructured 7075 Al and AZ91 Mg alloy powders with favorable microstructural, morphological, and particle size characteristics. The nanocrystalline 7075 Al (crystallite size 30 nm) and AZ91 Mg (crystallite size 25 nm) alloys produced by mechanical alloying showed good thermal stability, which retained their crystallite sizes under 100 nm after having been isothermally annealed at high temperatures for up to 4 h. Fully dense products were directly consolidated from the as-received and mechanically alloyed powders by field-assisted hot pressing (FAHP). Pressing temperature was found to have significant effects on the microstructures and hardness of the bulk samples processed by FAHP technique. Thanks to the low pressing temperature and short processing time used, the bulk alloys consolidated from the nanostructured 7075 Al and AZ91 Mg powders exhibited ultra-fine grain structures and very high hardness values. Uniaxially cold pressed compacts were used to study the sintering response of the asreceived and mechanically alloyed powders. Based on the obtained results, the optimum sintering temperature and time for each powder were determined. Besides, studying the effect of sintering atmosphere revealed that the AZ91 compacts are more responsive to sintering in the nitrogen atmosphere than the argon atmosphere. Hot compression tests were performed to study the hot deformation behavior and workability characteristics of the as-received and mechanically alloyed powders. To this end, the data obtained through the hot compression of powder compacts were analyzed to develop processing maps. Strain was found to have important effects on the processing maps of all powders. The developed processing maps successfully identified the optimum conditions for hot deformation of each powder, which were then employed for the production of bulk products by hot extrusion. Hot extrusion without canning and degassing was used to produce full density alloys from the as-received and mechanically alloyed powders. The microstructures and mechanical properties of the extrusion products were carefully studied. The obtained results confirmed that the hot extrusion without canning and degassing can be considered as an advantageous technique for consolidation of the Al-based and Mg-based powders.
dc.description.abstract En las últimas décadas han adquirido mucha relevancia las aleaciones de Aluminio (Al) y Magnesio (Mg) como potenciales materiales mediante los que conseguir importantes reducciones de peso. Pese a que el mercado de productos de Al y Mg sigue creciendo, existen numerosas oportunidades sin explotar a causa de la baja rigidez y resistencia de sus aleaciones en comparación con las aleaciones base hierro y otros materiales estructurales. Por otro lado, el afino de grano es una vía eficaz para mejorar la resistencia en los materiales metálicos. En los últimos años, la molienda de alta energía se ha empleado para la fabricación de materiales nanoestructurados, y tamaños de grano de escala nanométrica en muchos metales, aleaciones y compuestos intermetálicos. Pese a que el procesado y caracterización de aleaciones y compuestos base Aluminio y fabricados por aleación mecánica han sido objeto de numerosos estudios, no ocurre lo mismo con las aleaciones base Mg. También se debe considerar que las posibles aplicaciones de los materiales nanocristalinos de Al y Mg como materiales estructurales, son en forma de material consolidado macizo. Las vías de procesado tienen efectos significativos sobre la microestructura y propiedades mecánicas del material macizo. Sin embargo, no existen estudios sistemáticos que comparen entre sí distintas vías de consolidación y su influencia en la microestructura y propiedades mecánicas de materiales obtenidos a partir de polvos fabricados por aleación mecánica. El trabajo de investigación desarrollado en esta tesis, tiene como objetivo la producción de aleaciones de Al y Mg de altas prestaciones, utilizando distintas vías de procesado del polvo y distintas rutas de consolidación con sus variables de proceso, a través de un extenso estudio de la microestructura y las características mecánicas de las aleaciones consolidadas. La materias primas utilizadas han sido un polvo premezclado comercial, la calidad Alumix 431D con una composición química equivalente a la aleación de aluminio 7075 y dos polvos distintos de la aleación AZ91 de magnesio, obtenidos por molienda mecánica y atomización, respectivamente. El proceso de aleación mecánica se optimiza para obtener polvos de 7075 Al y AZ91 Mg con una microestructura, morfología y tamaño de partícula adecuados. Las aleaciones nanocristalinas de 7075 Al (tamaño de dominio cristalino de 30 nm) y AZ91 Mg (temaño de dominio cristalino de 25 nm) obtenidas por aleación mecánica, mostraron una buena estabilidad térmica manteniendo tamaños de dominio cristalino por debajo de 100 nm después de un recocido isotérmico a altas temperaturas durante 4 horas. Mediante prensado en caliente por paso de corriente “field-assisted hot pressing” (FAHP) se obtuvieron productos totalmente densificados por consolidación directa. La temperatura de procesado se mostró como una variable fundamental en su efecto sobre la microestructura y dureza de las muestras procesadas. Gracias a las bajas temperaturas de procesado y los tiempos cortos, las aleaciones consolidadas a partir de polvos nanoestructurados de 7075 Al y AZ91 Mg presentaron estructuras de grano ultra-fino y valores muy altos de dureza. Compactos prensados uniaxialmente en frío se utilizaron para analizar la respuesta de los polvos en estado de suministro y aleados mecanicamente. En base a los resultados obtenidos se optimiza, para cada material, el tiempo y temperatura óptimos de sinterización. Además se estudió el efecto de la atmósfera de sinterización, siendo más eficiente en el caso de los compactos de AZ91 la respuesta a la sinterización en atmósfera de nitrógeno que en atmósfera de argón. Se desarrollaron ensayos de compresión en caliente para analizar el comportamiento de los materiales así como sus propiedades de “conformabilidad” tanto de los polvos en estado de suministro como los polvos aleados mecánicamente. Con los datos obtenidos de los ensayos de compresión en caliente se desarrollaron mapas de procesado de todos los polvos. Se confirmó que la deformación uega un papel esencial en las condiciones de procesado de todos los materiales. Mediante los mapas de procesado se determinaron las condiciones óptimas para la deformación en caliente de cada material, condiciones que se pueden extrapolar en la producción de productos por extrusión en caliente. Se utilizó extrusion en caliente (sin enlatado ni desgasificado) para fabricar aleaciones totalmente densas a partir de los polvos en estado de suministro y aleados mecánicamente. Se estudió en profundidad su microestructura y propiedades mecánicas Los resultados obtenidos confirmaron que este método de procesado es una técnica de consolidación muy adecuada para estas familias de materiales.
dc.description.sponsorship Comunidad de Madrid financial support of this work through the ESTRUMAT Grant #S2009/MAT-1585.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/20536
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/20540
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/20476
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/20453
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/20477
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/20479
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Metals and alloys
dc.subject.other Aluminium
dc.subject.other Magnesium
dc.subject.other Materials properties
dc.subject.other Powder metallurgy
dc.title Processing and properties of high performance 7075 Al and AZ91 Mg powder metallurgy alloys
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Materiales
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales
dc.relation.projectID Comunidad de Madrid. S2009/MAT-1585/ESTRUMAT
dc.description.responsability Presidente: Elena Gordo Oderiz.- Secretario: Javier Hidalgo García.- Vocal: Leandro Bolzoni
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química
dc.contributor.departamento IMDEA Materials Institute
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