RT Dissertation/Thesis
T1 Development and production of Al-Cu-Li wires by powder metallurgy routes and their application in WAAM techniques
A1 Rodríguez González, Paula
AB The most used aluminium alloys in the aerospace industry are Al-Cu (2xxx)and Al-Zn (7xxx) series due to their high strength-to-weight ratio. 2xxx series alloysare heat-treatable alloys, containing copper as the main alloying element and haveexcellent properties as high-strength and high-performance; they are often used foraerospace and aeronautical applications. In particular, the addition of lithium in theAl-Cu alloy significantly reduces the density while the strength increases much morethan with any other alloying element, making the application of these alloys veryattractive for those industries. However, the use of Al-Cu-Li alloys has been limitedbecause the cost is three to five times higher than the ordinary Al alloys.In this work, the design and optimisation of the processing routes for two Al-Cu-Li alloys have been carried out to obtain metallic wires as feedstock for Wire ArcAdditive Manufacturing (WAAM) technique. The selected alloys are 2060 and 2196.The processing of the alloys has been successfully carried out by powder metallurgyroutes starting from elemental powders (Mn, Cu, Al) and master alloys (Al-Li and Al-Mg). Materials have been consolidated by powder blending, cold uniaxial pressing,and hot extrusion process. The extrusion process parameters have been optimised in apreliminary study with elemental aluminium powder. Final extruded rods have beencharacterized in porosity, oxygen content, microstructure, chemical composition, andmechanical properties.In this context, the main challenge of this Doctoral Thesis is the consolidationand processing of two alloys of great industrial interest for obtaining wires throughpowder metallurgy routes to be deposited by WAAM. This processing, based onmixtures of powders, allows the production of parts with big freedom in the design ofthe chemical composition.This way, the main objective is the production of wires suitable for WAAMtechniques, particularly plasma metal deposition (PMD), addressing the lack ofcommercial wires suitable for current welding technologies, and increasing thepossibilities of designing new wires with different compositions.The production of final wires requires the complete characterisation along thedifferent steps of the processing. The composition and distribution of the alloyingelements have been analysed. Of all the conditions studied, the one characterized by a homogeneous microstructure has been used to produce the wires. Besides, the studyof chemical and mechanical properties has been key for the subsequent steps, rollingand drawing processes.Plasma Metal Deposition (PMD) parameters have been optimised using acommercially available Al-Cu wire with similar composition, 2319 alloy. Amathematical model has been employed to determine the welding optimumparameters and predict the experimental results. The wires have been depositedsuccessfully and the single-tracks have been characterised following three criteria:surface defects, weld bead geometry and microstructural porosity.To conclude, powder metallurgy can be considered as an alternativeprocessing route to obtain wires with tailored composition to be used in Direct EnergyDeposition (DED) techniques, particularly Wire Arc Additive Manufacturing(WAAM).
AB Las aleaciones de aluminio más utilizadas en la industria aeroespacial son lasde la serie Al-Cu (2xxx) y Al-Zn (7xxx) debido a su elevada relación resistencia-peso.Las aleaciones de la serie 2xxx son aleaciones tratables térmicamente, contienen cobrecomo principal elemento de aleación y tienen excelentes propiedades como altaresistencia y alto rendimiento; se utilizan a menudo para aplicaciones aeroespacialesy aeronáuticas. En particular, la adición de litio en la aleación Al-Cu reducesignificativamente la densidad mientras que la resistencia aumenta mucho más quecon cualquier otro elemento de aleación, lo que hace que la aplicación de estasaleaciones sea muy atractiva para esas industrias. Sin embargo, el uso de aleacionesAl-Cu-Li es limitado debido a su alto precio, de tres a cinco veces mayor que lasaleaciones ordinarias de Al.En este trabajo se ha llevado a cabo el diseño y optimización de las rutas deprocesado de dos aleaciones Al-Cu-Li para la obtención de alambres metálicos comomateria prima de la técnica de Fabricación Aditiva por Arco y Alambre (WAAM).Las aleaciones seleccionadas son 2060 y 2196. El procesado de las aleaciones se hallevado a cabo con éxito mediante rutas pulvimetalúrgicas a partir de polvoselementales de partida (Mn, Cu, Al) y aleaciones maestras (Al-Li y Al-Mg). Losmateriales se han consolidado mediante mezcla de polvos, prensado uniaxial en frío yproceso de extrusión en caliente. Los parámetros del proceso de extrusión se hanoptimizado en un estudio preliminar con polvo de aluminio elemental. Las barrasextruidas finales se han caracterizado en cuanto a porosidad, contenido de oxígeno,microestructura, composición química y propiedades mecánicas.En este contexto, el principal reto de esta Tesis Doctoral es la consolidación yprocesado de dos aleaciones de gran interés industrial para la obtención de alambres apartir de rutas pulvimetalúrgicas para ser depositados por WAAM. Esteprocesamiento, basado en mezclas de polvos, permite la producción de piezas congran libertad en el diseño de la composición química.De esta forma, el objetivo principal es la producción de alambres adecuadospara las técnicas WAAM, en particular la soldadura por arco de plasma, abordando lafalta de alambres comerciales adecuados para las tecnologías de soldadura actuales, yaumentando las posibilidades de diseño de nuevos alambres con diferentes composiciones.La producción de alambres finales requiere la caracterización completa a lolargo de las distintas etapas del procesamiento. Se ha analizado la composición ydistribución de los elementos de aleación. De todas las condiciones estudiadas, se hautilizado para producir los alambres aquella que se caracteriza por una microestructurahomogénea. Además, el estudio de la composición química y propiedades mecánicashan sido clave para los pasos posteriores, procesos de laminación y trefilado.Se han optimizado los parámetros de soldadura por arco de plasma utilizandoun alambre comercial de Al-Cu de composición similar, aleación 2319. Se haempleado un modelo matemático para determinar los parámetros óptimos desoldadura y predecir los resultados experimentales. Los alambres se han depositadocon éxito y las pistas individuales se han caracterizado siguiendo tres criterios:defectos superficiales, geometría del cordón de soldadura y porosidadmicroestructural.En conclusión, la pulvimetalurgia puede considerarse como una ruta deprocesamiento alternativa para obtener alambres con composición a medida para suuso en técnicas de Deposición Directa de Energía (DED), en particular en laFabricación Aditiva por Arco y Alambre (WAAM).
YR 2023
FD 2023-05
LK https://hdl.handle.net/10016/37541
UL https://hdl.handle.net/10016/37541
LA eng
NO Esta tesis contiene artículos de investigación en anexo.
NO This investigation was financed by the Regional Government of Madrid (Comunidad de Madrid, cm) through the programmes MULTIMAT-CHALLENGE - ref. S2013/MIT-2862 - and ADITIMAT-CM - ref. S2018/NMT-4411.
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RD 1 sept. 2024