Microporosity characteristics in Al-Si foundry alloys

Weidt, Moritz Rudolf Martin; Bührig-Polaczek, Andreas; Dahle, Arne K.

doi:39324

Microporosity characteristics in Al-Si foundry alloys

Weidt, Moritz Rudolf Martin^RWTH*

2020

VerantwortlichkeitsangabeMoritz Rudolf Martin Weidt

ImpressumAachen : Gießerei-Institut der RWTH Aachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (XXI, 231 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-944601-16-8

ReiheErgebnisse aus Forschung und Entwicklung ; 27

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bührig-Polaczek, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Dahle, Arne K. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-01-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-03260
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/785507/files/785507.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aluminiumguss (frei) ; Computertomographie (frei) ; Erstarrung (frei) ; ICME (frei) ; Mikroporosität (frei) ; Porengrößenverteilung (frei) ; Sphärizität (frei) ; Wasserstoffgehalt (frei) ; aluminium casting (frei) ; hydrogen content (frei) ; microporosity (frei) ; pore size distribution (frei) ; solidification (frei) ; sphericity (frei) ; x-ray computed tomography (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Obwohl die Bedeutung von Aluminium als Werkstoff für eine Vielzahl von technischen Anwendungen bereits sehr hoch ist, hat der allgemeine Trend zur Gewichtsreduktion im Mobilitätsbereich das Potenzial, den Einsatz von Aluminium in Strukturbauteilen sowie in Gehäusen, Abdeckungen und im Antriebsstrang noch weiter zu verstärken. Das Aluminiumgussverfahren ist und bleibt ein sehr wettbewerbsfähiges Verfahren zur Herstellung hochkomplexer und integrierter, endkonturnaher Bauteile bis hin zur Großserie. Dies ist der Fall, obwohl die Fähigkeit der qualitativen sowie quantitativen Mikroporositätsvorhersage bis heute eingeschränkt und damit eine genaue Kontrolle nicht möglich ist. Um diese Vorhersagegenauigkeit zu erreichen ist ein besseres Verständnis der Ursachen, der Keimbildung, des Wachstums und der endgültigen Eigenschaften der Mikroporosität in Aluminiumgusslegierungen erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es das Verständnis und das Wissen über Mikroporosität, aufbauend auf den Grundlagen der Erstarrung sowie durch die Auswertung von beinahe 100 Mikro-CT-Scans, zu erweitern und zu vertiefen. Um den Vergleich von XCT-Daten, welche bei drei unterschiedlichen Scanauflösungen erzeugt wurden, zu ermöglichen, wurde ein porenvolumengewichteter Ansatz entwickelt und angewendet. In bis zu vier identifizierbaren Porenpopulationen erlaubt die beschriebene Methode die lineare Korrelation zwischen der Porosität und dem maximalen und mittleren Porenvolumen sowie der charakteristischen Porengröße. Die vier verschiedenen Porenpopulationen können sowohl mit dem Wasserstoffgehalt als auch mit der lokalen Abkühlrate in Verbindung gebracht werden. Bei niedrigen Wasserstoffgehalten bestimmen die Unterschiede in der Erstarrungsmorphologie aufgrund der chemischen Zusammensetzung die Höhe der Porosität. Die maximale Porengröße nimmt mit der durchschnittlichen Porosität stark zu. Nur sehr geringe lokale Abkühlraten verändern die beobachtete Porenmorphologie von tordiert nach hoch sphärisch. Bei hohen Wasserstoffkonzentrationen ist die Empfindlichkeit des mittleren und maximalen Porenvolumens und der Porengröße in Bezug auf die durchschnittliche Porosität geringer. Die lokale Abkühlrate beeinflusst die Porosität nun stark. In der Übergangszone zwischen einem niedrigen und hohen Wasserstoffgehalt ist eine Mischung aus Poren mit hoher und niedriger Sphärizität zu beobachten. Bei niedrigem Wasserstoffgehalt zeigt die Analyse der Porensphärizität einen konstanten Abfall mit zunehmender Porosität. Bei mittleren bis hohen Wasserstoffgehalten zeigen die Proben eine konstante und hohe Sphärizität. Es kann eine lineare Funktion zwischen dem mittleren und maximalen Porenvolumen beziehungsweise der mittleren und maximalen Porengröße nachgewiesen werden. Diese Korrelationen sind unabhängig von allen untersuchten Versuchsparametern und stellen somit ein neues und grundlegendes Merkmal von Mikroporosität in Aluminiumgusslegierungen dar. Die vorgestellten Ergebnisse verbessern das Verständnis der Eigenschaften von Mikroporosität und ermöglichen die Vorhersage wichtiger Charakteristika der Porenverteilung. Im Rahmen einer geschlossenen Simulationskette, können die entwickelten Korrelationen dazu beitragen hoch und speziell zyklisch beanspruchte Komponenten bereits am Beginn des Designprozesses optimal auszulegen.

Although the importance of aluminium as a material for a broad variety of technical applications is already very high, the general trend of weight reduction in the mobility sector has the potential to boost the application of aluminium in structural components as well as in housings, covers and the powertrain even further. The aluminium cast process is and remains a very competitive process to produce highly complex and integrated, near-net-shape components up to very large production volumes. This is true, although the capability to predict and thus control the amount and size of microporosity is still worthy of improvement. To achieve better control of microporosity, a better understanding of the causes, the nucleation, the growth, and the final characteristics of microporosity in aluminium cast alloys are necessary. This work aims to expand and deepen the understanding and knowledge of microporosity by looking at the fundamental principles of solidification, and the evaluation of almost 100 micro XCT scans taken from industrial production and laboratory casting experiments. A pore volume-weighted approach is applied to enable the comparison of XCT data generated at three different spatial resolutions. The weighing procedure leads to linear correlations between average porosity and the maximum and mean pore volume and size for up to four characteristic specimen populations. The four different specimen populations can be related to the hydrogen content as well as the local cooling rate. At low hydrogen levels, the differences in solidification morphology due to chemical composition determine the amount of average porosity. The maximum pore size increases strongly with average porosity, and only very low local cooling rates change the observed low sphericity pore morphology. At high hydrogen levels, the sensitivity of the mean and maximum pore volume and size is lower in respect to average porosity, and the local cooling rate strongly affects the observable high sphericity pores. In the transition zone between low and high hydrogen levels, a mixture of high and low sphericity pores can be observed. For low hydrogen levels, the analysis of the mean pore sphericity shows a constant drop with increasing average porosity. At medium to high hydrogen levels samples show a constant and high mean sphericity value. A single linear relation between the mean and maximum pore volume respectively the mean and maximum pore size can be established. These correlations are independent of all varied experimental parameters and therefore constitute a new and fundamental characteristic of microporosity in aluminium cast alloys. The presented findings improve the understanding of the characteristics of microporosity and allow the prediction of important pore distribution measures. The developed correlations will find application in the Integrated Computational Materials Engineering (ICME) approach and are the first step in a through process modelling framework.

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