Synthesis and characterization of Al6061/Al2O3 metal matrix nanocomposites fabricated by stir-casting

Mohamed, Othman Ahmed Othman GND

Over the past decade, the metal matrix nanocomposites (MMNCs) have been used in many applications, owing to their competing properties such as high strength to weight ratio, high corrosion resistance, and fatigue strength. The reduction in vehicle weight or increasing the strength to weight ratio of the materials used, provides both fuel efficiency and reducing the CO2 emissions. The fabricate of such composites should be carried out through fulfilling two main considerations; the constitutes (matrix and reinforcement nanoparticles) and the fabrication method. Aluminum alloys, as a matrix, possess remarkable properties of low density, good corrosion resistance, and low thermal expansion. Such characteristics make them attractive chose to perform as matrices in the world of MMNCs. The conventional aluminum alloys are usually used in automotive, aerospace industry, and structural materials owing to their higher performance either mechanically, or functionally. The aluminum features do not end at this point, but it is also characterized by excellent recyclability which makes aluminum a good environment friend by different means of reducing the energy consumption for their production, emissions accompanied with production, and the consumption of fresh raw materials. In this concern, Al6061 was utilized in this research as a matrix, due to its wide range of applications in automotive and ground transportation, thermal management, aerospace, industrial, recreational and infrastructure industries, as well as advanced military systems. Choosing the reinforcement nanoparticles too is subjected to many aspects of durability, cost considerations, ease of introducing into the matrix, and phase stability. With high strength elastic modulus, good wettability, and low thermal expansion coefficient, was Alumina (Al2O3) a promising candidate in the MMNCs synthesizing in this work. The reinforcing role of the nanoparticles raise from the fact of their small size which enables them to direct to the lattice defects like dislocations and reveal several strengthening mechanisms such as load bearing, Hall-Pitch, difference in elastic modulus and thermal expansion coefficient, and Orowan mechanisms. Consequently, the hybrid materials (Aluminum Matrix Nanocomposites (AMNCs)) attract attention to design lightweight materials with improved mechanical, metallurgical and physical properties. Choosing a compatible manufacturing technique is of the same importance degree as choosing the matrix and the reinforcement nanoparticles. Proper method for nanoparticles addition should guarantee uniform, simplicity, and homogenous destruction of the reinforcements over the matrix and ability of use on large scale. Therefore, stir casting is considered is probably the simplest and most economical technique used to produce MMNCs by a liquid state route. However, the process is restricted by the high agglomeration rates resulted from the poor wettability of the nanoparticles and the air entrapment, which occurred during stirring with a tendency of the nanoparticles to sink or float due to the density difference between the matrix and particles. The present study focuses on the fabrication and characterization of the AMNCs. The AMNCs synthesizing is carried out through stir casting using Al2O3 nanoparticles and Aluminum 6061 as a matrix. The proposed research provides robust empirical approaches to overcome the main restrictions of AMNCs fabrications such as poor wettability, agglomeration, porosity, inhomogeneous distribution, high production costs, and durability. The objective of this research is to investigate the process feasibility, the effective reinforcement weight fraction (over which the properties deteriorate), and the fabricated hybrid materials properties (at room and elevated temperature (300°C)) compared to the monolithic alloy. Furthermore, the metallurgical/mechanical/and functional behavior of the produced materials were evaluated utilizing different mechanical tests (tensile, hardness, fatigue and creep tests) and microstructure investigation techniques (optical and scanning electron microscopy). For further enhancement of the fatigue and the functional behavior of the AMNCs, the mechanical surface treatments (MSTs), namely shot peening and roller burnishing, were conducted. The impact of the shot peening and roller burnishing on the fatigue and the creep behavior was unveiled. The wear and corrosion behavior of the different composites were tested, as well. Furthermore, the weldability of the AMNCs was investigated using the rotary friction welding technique. The optimization of the welding parameters was carried out based on the design of experiment method using Minitab 17. Economically, the recyclability of the AMNCs was clarified by re-fabrication of the produced AMNCs through investigating the change of their behavior compared to unreinforced alloy. The nanocomposites exhibited finer grain size with enhanced mechanical behavior. The yield strength and ultimate tensile strength are improved by 50% and 32% respectively compared to the unreinforced alloy. Moreover, the nanocomposites represented an enhancement in the fatigue life (Electropolished) about 26% and 64% in air and 3.5% NaCl electropolished condition with improved creep rate and corrosion resistance, with further improvement after conducting mechanical surface treatments such as shot peening and roller burnishing to reach 37% and 127% after conducting shot peening in air and 3.5% NaCl compared to the electropolished unreinforced alloy, while it reaches 48% and 154% after conducting roller burnishing. Besides, the AMNCs show higher creep life than the unreinforced alloy not only without further mechanical surface treatments, but also after conducting shot peening. The tribological properties and corrosion resistance of the AMNCs are also enhanced compared to the unreinforced matrix. The AMNCs proved good durability not only by the good weldability, but also by the competed properties obtained after recycling. In conclusion, an analytic model is proposed to reach a simple equation which could describe and detect the expected behavior of the AMNCs based on the weight fraction and both matrix and reinforcements properties. The experimental results show good agreement and effectiveness of the model to predict the mechanical properties of the AMNCs.

In den letzten zehn Jahren wurden die Metall-Matrix-Nanocomposites (MMNCs) aufgrund ihrer konkurrenzfähigen Eigenschaften, wie zum Beispiel der hohen spezifischen Festigkeit, der sehr guten Korrosionsbeständigkeit und Dauerfestigkeit, in vielen Anwendungen eingesetzt. Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts durch die Erhöhung der spezifischen Festigkeit dieser Composite sorgt sowohl für eine höhere Kraftstoffeffizienz als auch für eine Reduzierung der CO2-Emissionen. Die Herstellung und Entwicklung solcher Verbundwerkstoffe sollte sich an den folgenden zwei Gesichtspunkten orientieren der Komponenten (Matrix- und Verstärkungsnanopartikel) und der Herstellungsmethode. Aluminiumlegierungen besitzen, als Matrix, bemerkenswerte Eigenschaften wie die gute Korrosionsbeständigkeit, die geringe Dichte und die geringe Wärmeausdehnung. Solche Eigenschaften machen sie attraktiv, wenn sie als Matrix in der Welt der MMNCs eingesetzt werden. Die konventionellen Aluminiumlegierungen werden aufgrund ihrer höheren mechanischen und funktionellen Leistungsfähigkeit in der Regel in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie zur Herstellung von Strukturwerkstoffen eingesetzt. Weiterhin zeichnet sich Aluminium durch seine ausgezeichnete Recyclingfähigkeit aus, welche es zu einen umweltfreundlichen Werkstoff macht, da sich der Energieverbrauch bei der Herstellung, die mit der Produktion verbundenen Emissionen und der Verbrauch von frischen Rohstoffen reduziert. In diesem Zusammenhang wurde die Aluminiumlegierung Al6061 in dieser Forschungsarbeit als Matrix verwendet, da sie ein breites Anwendungsspektrum in den Bereichen Automobil, Wärmemanagement, Luft- und Raumfahrt, Industrie, Freizeit, Infrastruktur sowie fortschrittliche militärische Systeme bietet. Die Wahl der Verstärkungs-Nanopartikel unterliegt vielen dabei Aspekten. Diese können sein: Haltbarkeit, Kostenbetrachtung, einfache Einführung in die Matrix und die Phasenstabilität. Mit hohem Elastizitätsmodul, guter Benetzbarkeit und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten stellt Aluminiumoxid (Al2O3) eine viel versprechende Option dar um MMNCs in dieser Forschungsarbeit künstlich zu erzeugen. Die verstärkende Wirkung der Nanopartikel ergibt sich aus ihrer geringen Größe, die es ihnen ermöglicht sich auf Gitterdefekte wie Versetzungen zu platzieren und dort verschiedene Verstärkungsmechanismen wie zum Beispiel Tragfähigkeit, Hall-Pitch, Differenz von Elastizitätsmodul und thermische Ausdehnungskoeffizient und Orowan-Mechanismen zu bewirken. Die Hybridmaterialien (Aluminum-Matrix-Nano-Composites (AMNCs)) erlangen deshalb zunehmend Bedeutung, wenn es um Leichtbauwerkstoffe mit verbesserten mechanischen, metallurgischen und physikalischen Eigenschaften.geht Die Wahl eines kompatiblen Herstellungsverfahrens ist ebenso wichtig wie die Wahl der Matrix und der Verstärkungs-Nanopartikel. Die Methode für die Zugabe von Nanopartikeln muss eine gleichmäßige, einfache und homogene Verteilung der Verstärkungsnanopartikeln über die Matrix und die Fähigkeit zur Verwendung in großem Maßstab gewährleisten. Daher wird das Rührgießen als die wahrscheinlich einfachste und wirtschaftlichste Technik zur Herstellung von MMNCs betrachtet. Der Prozess wird jedoch durch die hohen Agglomerationsraten eingeschränkt, die aus der schlechten Benetzbarkeit der Nanopartikel und der Lufteinschlüsse resultieren. Aufgrund der Dichtedifferenz zwischen der Matrix und den Partikeln kam es beim Rühren nur teilweise zum Schweben, teilweise aber auch zum Herabsinken der Nanopartikel. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf die Herstellung und Charakterisierung der AMNCs. Die Synthese der AMNCs erfolgt durch Rührgießen mit Al2O3-Nanopartikeln und Aluminiumlegierung 6061 als Matrix. Die vorliegende Arbeit bietet empirische Ansätze zur Überwindung der Hauptrestriktionen der AMNC-Fertigung wie schlechte Benetzbarkeit, Agglomeration, Porosität, inhomogene Verteilung, hohe Produktionskosten und geringe Haltbarkeit. Ziel dieser Forschung ist es, die Machbarkeit des Verfahrens, den effektiven Gewichtsanteil der Verstärkung (über den sich die Eigenschaften verschlechtern) und die Eigenschaften der hergestellten Hybridmaterialien bei Raum- und erhöhter Temperatur (300°C) im Vergleich zur monolithischen Legierung zu untersuchen . Darüber hinaus wurde das metallurgische, mechanische und funktionelle Verhalten der hergestellten Werkstoffe mittels verschiedener mechanischer Tests (Zug-, Härte-, Ermüdungs- und Kriechversuche) und Mikrostrukturuntersuchungen (Licht und Rasterelektronenmikroskopie) bewertet. Zur weiteren Verbesserung des Ermüdungs- und des Funktionsverhaltens der AMNCs wurden die mechanischen Oberflächenbehandlungen (MSTs) Kugelstrahlen und Festwalzen durchgeführt. Der Einfluss des Kugelstrahlens und des Festwalzens auf das Ermüdungs- und das Kriechverhalten wurde ermittelt. Auch das Verschleiß- und Korrosionsverhalten der verschiedenen Verbundwerkstoffe wurde getestet. Weiterhin wurde die Schweißbarkeit der AMNCs für das Rotations-Reibschweißverfahren untersucht. Die Optimierung der Schweißparameter erfolgte auf Basis der Versuchsplanung mit Minitab 17. Ökonomisch wurde die Recyclingfähigkeit der AMNCs durch ein erneutes Vergießen der produzierten AMNCs hinsichtlich Untersuchung der Veränderung ihres Verhaltens im Vergleich zu unverstärkten Legierungen untersucht. Die Nanocomposites zeigten eine feinere Korngröße mit verbessertem mechanischem Verhalten als die unverstärkte Legierung. Die Streckgrenze und die Zugfestigkeit wurden gegenüber der unverstärkten Legierung um 50 % bzw. 32 % verbessert. Darüber hinaus erzielten die Nanocomposites eine Erhöhung der Ermüdungslebensdauer in Luft um 26 % (elektropoliert) und um 64 % in 3,5 % NaCl (elektropoliert) mit einer zusätzlich verbesserten Kriechrate und Korrosionsbeständigkeit. Nach der Durchführung der mechanischen Oberflächenbehandlungen wie Kugelstrahlen und Festwalzen konnte eine weitere Verbesserung auf 37 % in Luft und 127 % in 3,5% NaCl nach dem Kugelstrahlen und dem entsprechend 48 % und 154 % nach dem Festwalzen erreicht werden. Zudem weisen die AMNCs nicht nur ohne weitere mechanische Oberflächenbehandlung, sondern auch nach dem Kugelstrahlen eine höhere Kriechfestigkeit auf, als die unverstärkte Legierung. Auch die tribologischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit der AMNCs werden gegenüber der unverstärkten Matrix verbessert. Die gute Einsatzbarkeit der AMNC resultiert nicht nur aus der guten Schweißbarkeit, sondern auch aus den interessanten Eigenschaften nach dem Recycling . Abschließend wird ein analytisches Modell vorgeschlagen, um eine einfache Gleichung ableiten zu können, die das erwartete Verhalten der AMNCs auf der Grundlage des Gewichtsanteils und der Matrix- und Verstärkungseigenschaften beschreibt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung und beweisen die Zuverlässigkeit des Modells zur Vorhersage der mechanischen Eigenschaften der AMNCs .

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Mohamed, Othman: Synthesis and characterization of Al6061/Al2O3 metal matrix nanocomposites fabricated by stir-casting. 2019.

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