Published January 1, 2024 | Version v1
Publication Open

Precipitation hardening and structure evolution in hypereutectic Al-6 % Fe-Zr alloys subjected to ultrasonic melt processing

Creators

  • 1. King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang
  • 2. University of Birmingham
  • 3. King Mongkut's University of Technology Thonburi
  • 4. National Research Tomsk State University
  • 5. Brunel University London

Description

The objective of this research was to study the influence of Zr concentration and ultrasonic melt processing (USP) on the microstructure and precipitation hardening of a hypereutectic Al-6% Fe alloy. Such alloys have a good potential in high-temperature, wear-resistant, and conducting applications but suffer from coarse structure and low strength/ductility, which prevents their processing. The microstructure of the studied alloys consisted of primary Al13Fe4 intermetallics and (Al)+Al13Fe4 eutectic colonies, which were successfully refined by adding Zr and performing USP. The mechanisms of USP and Zr were confirmed for the Al-6% Fe alloys with a range of Zr additions. The structure refinement led to improved hardness and tensile properties of the alloys. All studied alloys demonstrated strong precipitation hardening effect with hardness increasing 4-5 times, reaching 170 HV for the alloy with 0.4% Zr after annealing at 400 ℃ for 20 hrs. The electrical conductivity increased from 20% IACS in as-cast alloy to 40% IACS in the annealed Al-6% Fe-0.4% Zr alloy. The prime novelty of this work is a considerable increase of hardness upon annealing, i.e. more than 100 HV, in the Al-6% Fe alloy with only minute traces of Zr (<0.01%). The precipitation phenomena were investigated by transmission electron microscopy. The precipitation of the semi-coherent Al13Fe4 phase with Zr segregated to its surface was observed for the first time. All studied alloys (with minute and larger Zr additions) showed the precipitation of this phase, while the alloys with the larger amount of Zr also demonstrated the precipitation of the metastable L12 Al3Zr phase. Therefore, the properties improvement was attributed to the structure refinement and the formation of Zr-modified Al13Fe4 and Al3Zr precipitates in the microstructure.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

كان الهدف من هذا البحث هو دراسة تأثير تركيز Zr ومعالجة الذوبان بالموجات فوق الصوتية (USP) على البنية المجهرية وتصلب هطول الأمطار لسبيكة Al -6 ٪ Fe شديدة التحلل. تتمتع هذه السبائك بإمكانات جيدة في التطبيقات عالية الحرارة ومقاومة للتآكل والتوصيل ولكنها تعاني من بنية خشنة وقوة/ليونة منخفضة، مما يمنع معالجتها. تألفت البنية المجهرية للسبائك المدروسة من المعادن البينية Al13Fe4 الأولية و (Al)+ Al13Fe4 eutectic colies، والتي تم صقلها بنجاح بإضافة Zr وأداء USP. تم تأكيد آليات USP و Zr لسبائك Al -6 ٪ Fe مع مجموعة من إضافات Zr. أدى تحسين الهيكل إلى تحسين الصلابة وخصائص الشد للسبائك. أظهرت جميع السبائك التي تمت دراستها تأثيرًا قويًا لتصلب هطول الأمطار مع زيادة الصلابة 4-5 مرات، لتصل إلى 170 HV للسبائك مع 0.4 ٪ Zr بعد التلدين عند 400 درجة مئوية لمدة 20 ساعة. زادت الموصلية الكهربائية من 20 ٪ IACS في السبائك المصبوبة إلى 40 ٪ IACS في سبيكة Al -6 ٪ Fe-0.4 ٪ Zr الملدنة. الجدة الرئيسية لهذا العمل هي زيادة كبيرة في الصلابة عند التلدين، أي أكثر من 100 HV، في سبيكة Al -6 ٪ Fe مع آثار دقيقة فقط من Zr (<0.01 ٪). تم التحقيق في ظواهر هطول الأمطار عن طريق المجهر الإلكتروني للإرسال. لوحظ ترسيب طور Al13Fe4 شبه المتماسك مع فصل Zr على سطحه لأول مرة. أظهرت جميع السبائك التي تمت دراستها (مع إضافات دقيقة وأكبر من Zr) هطول الأمطار في هذه المرحلة، في حين أظهرت السبائك التي تحتوي على كمية أكبر من Zr أيضًا هطول الأمطار في مرحلة L12 Al3Zr غير المستقرة. لذلك، يعزى تحسن الخصائص إلى صقل الهيكل وتشكيل رواسب Al13Fe4 المعدلة بـ Zr و Al3Zr في البنية المجهرية.

Translated Description (French)

L'objectif de cette recherche était d'étudier l'influence de la concentration en Zr et du traitement de fusion par ultrasons (USP) sur la microstructure et le durcissement par précipitation d'un alliage Al-6% Fe hypereutectique. De tels alliages ont un bon potentiel dans des applications à haute température, résistantes à l'usure et conductrices, mais souffrent d'une structure grossière et d'une faible résistance/ductilité, ce qui empêche leur traitement. La microstructure des alliages étudiés était composée d'intermétalliques primaires Al13Fe4 et de colonies eutectiques (Al)+Al13Fe4, qui ont été affinées avec succès en ajoutant du Zr et en effectuant une USP. Les mécanismes de l'USP et du Zr ont été confirmés pour les alliages Al-6% Fe avec une gamme d'ajouts de Zr. Le raffinement de la structure a permis d'améliorer la dureté et les propriétés de traction des alliages. Tous les alliages étudiés ont démontré un fort effet de durcissement par précipitation avec une dureté augmentant de 4 à 5 fois, atteignant 170 HV pour l'alliage avec 0,4 % Zr après recuit à 400 ℃ pendant 20 heures. La conductivité électrique est passée de 20% IACS dans l'alliage brut de coulée à 40% IACS dans l'alliage recuit Al-6% Fe-0,4% Zr. La principale nouveauté de ce travail est une augmentation considérable de la dureté au recuit, c'est-à-dire plus de 100 HV, dans l'alliage Al-6% Fe avec seulement des traces infimes de Zr (<0,01%). Les phénomènes de précipitation ont été étudiés par microscopie électronique à transmission. La précipitation de la phase semi-cohérente Al13Fe4 avec Zr ségrégé à sa surface a été observée pour la première fois. Tous les alliages étudiés (avec des ajouts de Zr minuscules et plus importants) ont montré la précipitation de cette phase, tandis que les alliages avec la plus grande quantité de Zr ont également démontré la précipitation de la phase L12 Al3Zr métastable. Par conséquent, l'amélioration des propriétés a été attribuée au raffinement de la structure et à la formation de précipités Al13Fe4 et Al3Zr modifiés par Zr dans la microstructure.

Translated Description (Spanish)

El objetivo de esta investigación fue estudiar la influencia de la concentración de Zr y el procesamiento ultrasónico en estado fundido (USP) en la microestructura y el endurecimiento por precipitación de una aleación hipereutéctica de Al-6% Fe. Dichas aleaciones tienen un buen potencial en aplicaciones de alta temperatura, resistentes al desgaste y conductoras, pero sufren de estructura gruesa y baja resistencia/ductilidad, lo que impide su procesamiento. La microestructura de las aleaciones estudiadas consistía en intermetálicos primarios de Al13Fe4 y colonias eutécticas de (Al)+ Al13Fe4, que se refinaron con éxito añadiendo Zr y realizando USP. Los mecanismos de USP y Zr se confirmaron para las aleaciones de Al-6% Fe con un rango de adiciones de Zr. El refinamiento de la estructura mejoró la dureza y las propiedades de tracción de las aleaciones. Todas las aleaciones estudiadas demostraron un fuerte efecto de endurecimiento por precipitación con una dureza que aumenta 4-5 veces, alcanzando 170 HV para la aleación con 0.4% de Zr después del recocido a 400 ℃ durante 20 horas. La conductividad eléctrica aumentó del 20% de IACS en la aleación en bruto al 40% de IACS en la aleación de Al-6% Fe-0,4% Zr recocida. La principal novedad de este trabajo es un aumento considerable de la dureza al recocer, es decir, más de 100 HV, en la aleación de Al-6% Fe con solo trazas diminutas de Zr (<0,01%). Los fenómenos de precipitación se investigaron mediante microscopía electrónica de transmisión. Se observó por primera vez la precipitación de la fase semicoherente Al13Fe4 con Zr segregado a su superficie. Todas las aleaciones estudiadas (con adiciones de Zr minúsculas y mayores) mostraron la precipitación de esta fase, mientras que las aleaciones con la mayor cantidad de Zr también demostraron la precipitación de la fase metaestable L12 Al3Zr. Por lo tanto, la mejora de las propiedades se atribuyó al refinamiento de la estructura y a la formación de precipitados de Al13Fe4 y Al3Zr modificados con Zr en la microestructura.

Files

FullText.pdf.pdf

Files (9.0 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:af87b63241c301b191fa29afe6a222ab
9.0 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تصلب هطول الأمطار وتطور الهيكل في سبائك Al -6 ٪ Fe - Zr المفرطة الحساسية المعرضة للمعالجة بالذوبان بالموجات فوق الصوتية
Translated title (French)
Durcissement par précipitation et évolution de la structure dans des alliages Al-6 % Fe-Zr hypereutectiques soumis à un traitement de fusion par ultrasons
Translated title (Spanish)
Endurecimiento por precipitación y evolución de la estructura en aleaciones hipereutécticas de Al-6% Fe-Zr sometidas a procesamiento ultrasónico en estado fundido

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4387872473
DOI
10.1016/j.jallcom.2023.172613

Is supplement to
https://openalex.org/W434299268 (Other)
https://openalex.org/W2792379173 (Other)
https://openalex.org/W2605639525 (Other)
https://openalex.org/W2605529244 (Other)
https://openalex.org/W2516213939 (Other)
https://openalex.org/W2325569109 (Other)
https://openalex.org/W2314152854 (Other)
https://openalex.org/W2076806512 (Other)
https://openalex.org/W2073584971 (Other)
https://openalex.org/W2067742091 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1973767159
  • https://openalex.org/W1974250056
  • https://openalex.org/W1995959804
  • https://openalex.org/W2014702006
  • https://openalex.org/W2017039872
  • https://openalex.org/W2023250083
  • https://openalex.org/W2031187280
  • https://openalex.org/W2032395993
  • https://openalex.org/W2037204241
  • https://openalex.org/W2048275633
  • https://openalex.org/W2143826900
  • https://openalex.org/W2155224040
  • https://openalex.org/W2163649270
  • https://openalex.org/W2535433317
  • https://openalex.org/W2601358472
  • https://openalex.org/W2623013173
  • https://openalex.org/W2888999689
  • https://openalex.org/W2900488063
  • https://openalex.org/W2912343895
  • https://openalex.org/W3004636920
  • https://openalex.org/W3026982985
  • https://openalex.org/W3049620962
  • https://openalex.org/W3141585753
  • https://openalex.org/W3193463862
  • https://openalex.org/W3210578051
  • https://openalex.org/W4213458814
  • https://openalex.org/W4283277528
  • https://openalex.org/W4307954921
  • https://openalex.org/W4360604678