Únavové vlastnosti vysoce pevných hliníkových slitin připravených studenou kinetickou depozicí
Loading...
Date
Authors
Judas, Jakub
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Disertační práce se zabývá komplexní studií vysokopevnostní hliníkové slitiny AA7075, která byla deponována progresivní technologií Cold Spray. Pozornost byla nejprve zaměřena na důkladný popis vlastností vstupního prášku, který je charakteristický tvorbou metastabilních struktur a příměsových segregací v průběhu atomizace. Následné tepelné zpracování prokázalo možnost modifikace vlastností prášku za účelem snížení tvrdosti a zvýšení jeho plasticity, která je nezbytná pro úspěšné CS nanášení. Nástřiky byly deponovány na základě optimalizovaných procesních parametrů s užitím dusíku jako hnacího plynu, který vedl k přípravě kompaktní struktury s nízkou úrovní porozity. Důkladná mikrostrukturní analýza nástřiků poté identifikovala přítomnost UFG zrn na hranicích splatů vlivem dynamické rekrystalizace a dále prokázala změny v precipitační struktuře prášku po CS depozici. Termická stabilita v průběhu post-depozičního tepelného zpracování byla kontrolována nejen teplotou žíhání, ale také zejména morfologií fází, které precipitovaly v mikrostruktuře. Mechanické vlastnosti byly nejprve analyzovány pomocí tahové, ohybové a penetrační SPT zkoušky, které prokázaly značně křehkou odezvu nástřiku během kvazistatického zatěžování. Zvýšení houževnatosti bylo dosaženo po izotermickém žíhání nástřiku v teplotním intervalu 300-400 °C a dále po provedeném rozpouštěcím žíhání a řízeném přestárnutí. Únavová pevnost nástřiku ve dvou jeho stavech (po depozici, T7) byla zjišťována v symetrickém režimu tah-tlak v měkkém módu zatěžování a poté porovnána s chováním tvářené slitiny AA7075. Výsledky experimentů prokázaly zhoršení únavové odolnosti nástřiků po CS depozici vlivem porozity a mezisplatových necelistvostí. Zvýšení únavové pevnosti nástřiku ve stavu T7 bylo přisouzeno rozpuštění intermetalických fází a posílení strukturní integrity, které znesnadnilo přechod trhliny do intersplatového mechanismu šíření, čímž zvýšilo jeho životnost.
This PhD thesis deals with a comprehensive study of a high-strength aluminum alloy AA7075, which was deposited by progressive Cold Spray technology. Attention was first focused on a thorough description of the feedstock powder, which can be characterized by the formation of metastable structures and the segregation of constituent elements during atomization. The subsequent heat treatment proved the possibility of modifying the properties of the powder in order to reduce its hardness and increase its plasticity, which is essential for CS application. The coatings were deposited based on optimized process parameters using nitrogen as a propellant gas. The spraying led to the formation of a compact structure with a low level of internal porosity. Microstructural analysis of the coatings identified the presence of UFG grains at the splat boundaries due to the dynamic recrystallization phenomenon. DSC further demonstrated changes in the precipitate substructure of the coating after CS fabrication. Thermal stability during post-deposition heat treatment was controlled not only by annealing temperature but also by the size and morphology of secondary phases that precipitated in the microstructure. The mechanical properties were first probed by tensile, flexural, and SPT tests, which showed a brittle behavior of the coating during quasi-static straining. The increase in ductility was achieved after isothermal annealing in the temperature range of 300-400 °C or after solution annealing and over-aging treatment. The fatigue strength of the coating in its two conditions (as-built, T7 temper) was determined using symmetrical push-pull mode in a stress-controlled regime and then compared with the behavior of a wrought AA7075-T7 alloy. The fatigue results showed a deterioration of fatigue properties of the CS coatings due to porosity and intersplat defects. An increase in fatigue resistance was established in the T7 temper of the coating that was attributed to the dissolution of intermetallic phases and better structural integrity. These improvements prevented the transition of fatigue cracks to intersplat propagation, thereby increasing the coating fatigue lifetime.
This PhD thesis deals with a comprehensive study of a high-strength aluminum alloy AA7075, which was deposited by progressive Cold Spray technology. Attention was first focused on a thorough description of the feedstock powder, which can be characterized by the formation of metastable structures and the segregation of constituent elements during atomization. The subsequent heat treatment proved the possibility of modifying the properties of the powder in order to reduce its hardness and increase its plasticity, which is essential for CS application. The coatings were deposited based on optimized process parameters using nitrogen as a propellant gas. The spraying led to the formation of a compact structure with a low level of internal porosity. Microstructural analysis of the coatings identified the presence of UFG grains at the splat boundaries due to the dynamic recrystallization phenomenon. DSC further demonstrated changes in the precipitate substructure of the coating after CS fabrication. Thermal stability during post-deposition heat treatment was controlled not only by annealing temperature but also by the size and morphology of secondary phases that precipitated in the microstructure. The mechanical properties were first probed by tensile, flexural, and SPT tests, which showed a brittle behavior of the coating during quasi-static straining. The increase in ductility was achieved after isothermal annealing in the temperature range of 300-400 °C or after solution annealing and over-aging treatment. The fatigue strength of the coating in its two conditions (as-built, T7 temper) was determined using symmetrical push-pull mode in a stress-controlled regime and then compared with the behavior of a wrought AA7075-T7 alloy. The fatigue results showed a deterioration of fatigue properties of the CS coatings due to porosity and intersplat defects. An increase in fatigue resistance was established in the T7 temper of the coating that was attributed to the dissolution of intermetallic phases and better structural integrity. These improvements prevented the transition of fatigue cracks to intersplat propagation, thereby increasing the coating fatigue lifetime.
Description
Keywords
Cold Spray, hliníková slitina AA7075, prášková metalurgie, precipitační struktura, transmisní elektronová mikroskopie, diferenciální skenovací kalorimetrie, RTG difrakce, tahová zkouška, SPT zkouška, měření mikrotvrdosti, únavové vlastnosti, fraktografická analýza, Cold Spray technology, aluminum alloy AA7075, powder metallurgy, precipitate structure, transmission electron microscopy, differential scanning calorimetry, XRD diffraction, tensile testing, small punch test, microhardness measurement, fatigue properties, fractographic analysis
Citation
JUDAS, J. Únavové vlastnosti vysoce pevných hliníkových slitin připravených studenou kinetickou depozicí [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2024.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Fyzikální a materiálové inženýrství
Comittee
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Novák, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Libor Pantělejev, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Zelený, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Martin Trunec, Dr. (předseda)
Date of acceptance
2024-12-06
Defence
Práce komplexně zkoumala povlaky vysokopevnostní hliníkové slitiny AA7075 nanesené metodou kinetické depozice (cold spray). V práci byly optimilizovány procestní parametry depoziční metody a výsledné deponované vrstvy s různým tepelným zpracováním byly analyzovány z hlediska mikrostruktury, kvazistatické pevnosti a únavové pevnosti. Výsledky práce lze využít k dalšímu vývoji metody pro uplatnění v praxi.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení