Solid State hot extrusion of chip-based aluminum alloy AA6060: the role of process parameters and heat treatments on fatigue and corrosion fatigue

Abstract

The dissertation investigates the secondary production of the AA6060 aluminum alloy, focusing on a specialized solid-state recycling method. This production process involves collecting chips from machining operations, such as turning and milling, cleaning them, and subsequently hot-extruding them at temperatures below the melting point, thereby offering substantial energy savings. The ultimate goal is to provide valuable insights into optimizing production parameters and heat treatments so that the produced secondary aluminum possesses sufficient mechanical performance, even for demanding structural applications in aerospace. The study compares two main production routes: the conventional route (which involves primary production via bauxite mining and its subsequent processing) and the innovative solid-state (chip-based) route. Both categories of materials were subjected to a total of eight different heat treatment scenarios, including: 1) no treatment, 2) natural aging, 3) artificial aging, and 4) homogenization. During a second production phase (Batch #2), the parameters were improved by using a higher extrusion ratio and applying homogenization as a separate stage. The microstructure of the chip-based materials differs significantly from that of the cast-based ones, as recycling without melting retains defects such as chips boundaries, micro-voids, and precipitates. Imperfect bonding and the presence of multiple oxides at the chip interfaces creates internal barriers that do not exist in homogeneous, conventional aluminum. Additionally, the presence of iron is considered harmful, as it leads to the formation of Fe-rich intermetallic compounds that negatively affect the material's cohesion and structural integrity. The fatigue behavior of the solid-state recycled (chip-based) materials proved highly competitive, exhibiting a lifespan similar to that of conventional (cast-based) materials at specific stress levels. It was demonstrated that the chip boundaries, pores, and precipitates play a dual role: they can act as micro-crack initiation sites, but they can also arrest or deflect crack propagation, thereby increasing fatigue resistance. When the samples were exposed to a corrosive environment (a 3% NaCl solution), the interaction between the microstructural features and the environment resulted in a more complex behavior. Specifically, entrapped oxides and Fe-rich intermetallic compounds act as cathodic sites, accelerating localized corrosion within the surrounding aluminum matrix. This localized degradation creates severe defects that serve as starting points for rapid crack initiation, ultimately reducing the alloy's corrosion-fatigue resistance. The solid-state recycling of AA6060 aluminum via hot extrusion is a highly promising technology capable of supporting more environmentally friendly metallurgical processes. Achieving excellent bonding between the chips—essential for avoiding internal discontinuities and oxides—depends largely on the extrusion ratio, die geometry, and the pressure applied during production. With the appropriate optimization of production parameters and heat treatments, secondary materials can offer competitive mechanical performance and enhanced sustainability.

Η διατριβή μελετά τη δευτερογενή παραγωγή του κράματος αλουμινίου AA6060, εστιάζοντας σε μια εξειδικευμένη μέθοδο ανακύκλωσης στερεάς κατάστασης. Αυτή η παραγωγική διαδικασία περιλαμβάνει τη συλλογή αποβλίττων (chips) από κατεργασίες όπως τόρνευση και φρεζάρισμα, τον καθαρισμό τους, και έπειτα τη θερμή διέλαση σε θερμοκρασίες κάτω από το σημείο τήξης, προσφέροντας έτσι τεράστια εξοικονόμηση ενέργειας. Ο απώτερος στόχος είναι να παρασχεθεί πολύτιμη γνώση για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων παραγωγής και των θερμικών κατεργασιών, ώστε το παραγόμενο δευτερογενές αλουμίνιο να διαθέτει επαρκή μηχανική απόδοση, ακόμα και για απαιτητικές δομικές εφαρμογές στην αεροναυπηγική. H μελέτη συγκρίνει δύο βασικές διαδρομές παραγωγής: τη συμβατική (που περιλαμβάνει την πρωτογενή παραγωγή όπως προκύπτει από την εξώριξη του βωξίτη και την εν συνεχεία κατεργασία του) και την καινοτόμο διαδρομή της στερεάς κατάστασης (chip-based). Και οι δύο κατηγορίες υλικών υποβλήθηκαν σε οκτώ συνολικά διαφορετικά σενάρια θερμικών κατεργασιών, στα οποία συγκαταλέγονται: 1) η απουσία κατεργασίας, 2) η φυσική γήρανση, 4) η τεχνητή γήρανση και 4) η ομογενοποίηση. Κατά τη διάρκεια μιας δεύτερης προσπάθειας παραγωγής (Batch #2), οι παράμετροι βελτιώθηκαν μέσω της χρήσης υψηλότερου λόγου εξώθησης και ομογενοποίησης ως ξεχωριστού σταδίου. Τα chip-based υλικά διαφέρουν αισθητά στη μικροδομή τους σε σχέση με τα χυτά (cast-based), διότι η ανακύκλωση χωρίς τήξη διατηρεί ατέλειες όπως τα όρια αποβλίττων (chip boundaries), μικροκενά και καθιζήσεις. Η ατελής συγκόλληση, καθώς και η παρουσία πολλαπλών οξειδίων στις διεπιφάνειες των αποβλίττων, δημιουργούν εσωτερικά εμπόδια που δεν υπάρχουν στο ομοιογενές συμβατικό αλουμίνιο. Ταυτόχρονα, επιβλαβής κρίνεται και η παρουσία του σιδήρου, η οποία δημιουργεί διαμεταλλικές ενώσεις πλούσιες σε Fe, οι οποίες τείνουν να επηρεάζουν αρνητικά τη συνοχή και τη δομή του υλικού. Η συμπεριφορά στην κόπωση των υλικών ανακύκλωσης στερεάς κατάστασης (chip-based) κρίθηκε άκρως ανταγωνιστική, εμφανίζοντας μάλιστα παρόμοια διάρκεια ζωής με εκείνη των συμβατικών (cast-based) υλικών σε συγκεκριμένα επίπεδα τάσης. Αποδείχθηκε ότι τα όρια των αποβλίττων, οι πόροι και τα κατακρημνίσματα επιτελούν έναν διπλό ρόλο: από τη μία μπορούν να λειτουργήσουν ως σημεία έναρξης μικρορωγμών, ενώ από την άλλη μπορούν να ανακόψουν ή να εκτρέψουν τη διάδοση των ρωγμών, αυξάνοντας έτσι την αντοχή στην κόπωση. Όταν τα δείγματα εκτέθηκαν σε διαβρωτικό περιβάλλον (διάλυμα NaCl 3%), η αλληλεπίδραση των μικροδομικών χαρακτηριστικών με το περιβάλλον οδήγησε σε πιο πολύπλοκη συμπεριφορά. Συγκεκριμένα, τα εγκλωβισμένα οξείδια και οι πλούσιες σε Fe διαμεταλλικές ενώσεις λειτουργούν ως καθοδικά σημεία, επιταχύνοντας την τοπική διάβρωση γύρω από τη μήτρα του αλουμινίου. Αυτή η τοπική αποδόμηση δημιουργεί σοβαρά ελαττώματα, τα οποία λειτουργούν ως αφετηρίες για τη γρήγορη έναρξη ρωγμών, μειώνοντας την αντοχή του κράματος στην κόπωση-διάβρωση. Η ανακύκλωση στερεάς κατάστασης αλουμινίου AA6060 μέσω θερμής εξώθησης είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που μπορεί να στηρίξει μεταλλουργικές διεργασίες πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Η επίτευξη άριστης συγκόλλησης μεταξύ των αποβλίττων (ώστε να αποφεύγονται οι εσωτερικές ασυνέχειες και τα οξείδια) εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον λόγο εξώθησης, τη γεωμετρία της μήτρας και την πίεση που εφαρμόζεται κατά την παραγωγή. Με την κατάλληλη βελτιστοποίηση των παραγωγικών παραμέτρων και των θερμικών κατεργασιών, τα δευτερογενή υλικά μπορούν να προσφέρουν ανταγωνιστική μηχανική συμπεριφορά και βιωσιμότητα