Ανάπτυξη και τεχνολογικές ιδιότητες προηγμένου κράματος αλουμινίου 7075

Abstract

Aluminium and its alloys are widely used in various technological and industrial applications, due to their physical, chemical and thermal properties. However, the mechanical strength of aluminium is limited. In the past decade a variety of aluminium alloys has been produced, in order to fulfill the increasing demand for innovative materials in various technological and industrial fields. In this Ph.D. Thesis, the effect of zirconium addition (0.2 w.t%) on some technological properties of 7075 aluminium alloy was investigated. The results that extracted compared with those of aluminium 7075 without zirconium. Aluminium 7075 alloy with zirconium addition was produced by induction melting. The 7075 aluminium alloy is one of the most important engineering alloys and has been utilized extensively in the aerospace and automotive industries by virtue of its high mechanical strength and low weight. For the production of 7075 aluminium alloy the following master alloys Al-Cu, Al-Zn-Mg and Al-Zr were melted. The melts were prepared by placing 20gf master alloys in a clay bonded graphite crucible coated with boron nitride and melting in an induction furnace. Structural and metallographical study of 7075 alloy was performed with the aid of X-ray Diffraction (XRD), Metallurgical Microscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM), Electron Dispersive Spectroscopy (EDS), Electron Backscattering Diffraction (EBSD) and Transmission Electron Microscopy (TEM) techniques. Aluminium 7075 with zirconium was found to consist of: (a) aluminium-zinc-magnesium solid solution, (b) Al3Zr (c) Mg(ZnCu)2, (d) Al7Cu2Fe and (e) Al2CuMg intermetallic phases. As revealed the grains of the 7075 aluminium alloy containing 0.2 w.t% zirconium were refined and this is might be due to the precipitation of binary Al3Zr at the Al matrix and grain boundaries too, during casting process. In addition the zirconium doped 7075 alloy exhibited higher microhardness values compared to that without zirconium. The tribological behaviour of 7075 alloy with and without zirconium addition, under dry and lubricated conditions, was also examined. The results showed that the addition of zirconium led to lower values of friction coefficient of aluminuium 7075 with zirconium – stainless steel tribosystem. The addition of zirconium was also found to decrease the wear rate of this system. The influence of zirconium addition on the corrosion behavior of aluminium 7075 was also examined. It was observed that the addition of zirconium decreases the corrosion resistance of the alloy. This may be attributed to the higher volume fraction of η΄ precipitates finely distributed along the grain boundaries of zirconium doped aluminium alloy. Finally, the effect of this minor addition on the hydrogen absorption and embrittlement of 7075 aluminium alloy was investigated. Zirconium addition led to increased number of trapping sites in the alloy and this may be due to the fact that zirconium and magnesium compounds have strong affinity with hydrogen and are irreversible traps for it.

Το αλουμίνιο και τα κράματα αυτού αποτελούν ένα από τα πλέον ευρύτατα χρησιμοποιούμενα μεταλλικά υλικά, με ποικίλες τεχνολογικές και βιομηχανικές εφαρμογές. Από πλευράς μηχανικών ιδιοτήτων δεν παρουσιάζει αυξημένη μηχανική αντοχή αφού με την άσκηση σχετικά χαμηλών τάσεων παραμορφώνεται πλαστικά. Ωστόσο, η επιτακτική ανάγκη στις μέρες μας για υλικά υψηλότατων απαιτήσεων οδήγησε στην ανάπτυξη διαφόρων κραμάτων του αλουμινίου. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αποσκοπεί στη μελέτη της επίδρασης μικροκραματικής προσθήκης ζιρκονίου στη δομή και σε ορισμένες βασικές τεχνολογικές ιδιότητες του κράματος αλουμινίου 7075. Η παραπάνω προσθήκη πραγματοποιήθηκε επιτυχώς κατά τη διαδικασία της επαγωγικής χύτευσης του δεδομένου κράματος αλουμινίου. Το κράμα αλουμινίου 7075 βρίσκει ευρεία εφαρμογή σε πολύπλοκες διατάξεις αεροναυπηγικών και αεροδιαστημικών εφαρμογών, λόγω της ικανοποιητικά υψηλής αντοχής ως προς το βάρος τους. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε χύτευση του κράματος αλουμινίου 7075 με προσθήκη 0.2%κ.β. Zr, και ακολούθως έγινε έλεγχος της δομής και της μορφολογίας του παραχθέντος κράματος. Σε επόμενο στάδιο, μελετήθησαν η μικροσκληρότητα, η αντοχή σε διάφορα διαβρωτικά περιβάλλοντα, η αντιτριβική συμπεριφορά υπό ξηρές και λιπαντικές συνθήκες και τέλος η αντοχή σε καθοδική φόρτιση και εισδοχή υδρογόνου του κράματος αυτού. Το κράμα αλουμινίου 7075 με προσθήκη ζιρκονίου βρέθηκε να αποτελείται από: α) το στερεό διάλυμα αλουμινίου-ψευδαργύρου-μαγνησίου, β) Al3Zr , γ) Mg(ZnCu)2, δ) Al7Cu2Fe και ε) Al2CuMg ενδομεταλλικές ενώσεις. Η προσθήκη 0,2%κ.β. Zr στο κράμα οδήγησε στην εκλέπτυνση των κόκκων του κράματος αλουμινίου 7075 καθώς και σε αύξηση της τιμής της σκληρότητάς του. Η τριβολογική δε συμπεριφορά του κράματος αλουμινίου 7075 βρέθηκε να επηρεάζεται από την προσθήκη ζιρκονίου στο κράμα. Ειδικότερα, η προσθήκη ζιρκονίου στο κράμα βρέθηκε να ελαττώνει το συντελεστή τριβής (μ) του ζεύγους των υλικών κράμα αλουμινίου 7075 – ανοξείδωτος μαρτενσιτικός χάλυβας, καθώς και το ρυθμό φθοράς του κράματος. Όσον αφορά την αντοχή του κράματος στη διάβρωση βρέθηκε ότι η προσθήκη ζιρκονίου μειώνει την αντιδιαβρωτική ικανότητά του, λόγω της αύξησης του κλάσματος όγκου των ανοδικών ενδομεταλλικών ενώσεων MgZn2. Ο μηχανισμός διάβρωσης του κράματος αλουμινίου 7075 με ζιρκόνιο βρέθηκε να είναι αυτός της έντονης βελονοειδούς διάβρωσης (pitting corrosion) καθώς και φαινόμενα σχηματισμού και διαλυτοποίησης προϊόντων διάβρωσης. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση της μικροκραματικής αυτής προσθήκης στην εισδοχή και στη θραύση λόγω υδρογόνου. Η προσθήκη ζιρκονίου οδήγησε στο σχηματισμό μεγαλύτερου αριθμού σημείων παγίδευσης υδρογόνου κατά την καθοδική φόρτιση του κράματος. Το παραπάνω γεγονός αποδόθηκε κυρίως στην ύπαρξη των ενώσεων του ζιρκονίου και του μαγνησίου, οι οποίες έχουν μεγάλη συγγένεια με το υδρογόνο και το δεσμεύουν.