Investigation of early stages of precipitation in Al-Mg-Si alloys

• Applicant: Professor Dr. John Banhart
• Subject Area: Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2011 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 204304489

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Wir konnten direkt beweisen, dass nach dem Lösungsglühen die Bildung von Clustern bereits während der Abschreckung einsetzt – und das auch bei hohen Abschreckraten – und dass während der anschließenden Auslagerung bei Temperaturen zwischen -20 °C und 20 °C die Clusterbildung kontinuierlich fortschreitet. Die Cluster sind dabei größtenteils leerstellenfrei. Zu jedem Zeitpunkt befinden sich aber auch Leerstellen im System. Diese können frei sein, gebunden an Legierungsatome oder temporär in Clustern eingesperrt sein (zu welchen Anteilen können wir allerdings nicht unterscheiden). Dies entspricht in Grundzügen dem „vacancy-pump Modell“, für das noch nie ein experimenteller Beweis vorgelegt worden ist, sondern ein reines Gedankenmodell war. Wir wissen jetzt auch, dass während der Abschreckung zwei Prozesse weitgehend getrennt ablaufen: zum einen der Leerstellenverlust oberhalb 200 °C, zum anderen das Einsetzen der Clusterbildung unterhalb. Wir legen weitere Erkenntnisse vor, wie der Clusterbildungsprozess in verschiedenen Stadien abläuft. Dazu dienen Widerstands- und DSC-Messungen, die mit den PALS-Ergebnissen ein einheitliches Bild ergeben. Demnach ist die schnelle erste Clusterbildungsstufe durch die schnelle Diffusion von Si dominiert. Sie ist deutlich von der zweiten Stufe abgesetzt, in der zunehmend Mg in die Cluster diffundiert. Aufgrund der langsameren Diffusion von Mg geschieht dies auch viel langsamer. In Legierungen mit gleichem Si und Mg-Gehalt verläuft die Clusterbildung besonders effektiv. Die Modellierung der Widerstandskurven mit kinetischen Parametern analog zur Thermoanalyse erlaubt eine modellmäßige Beschreibung des Widerstandes in Analogie zur DSC und die Trennung von Beiträgen der beiden Clusterbildungsphasen. Die Betrachtung binärer oder ternärer Legierungen mit einem sehr kleinen Anteil eines der Legierungselemente Mg oder Si erbrachte die Erkenntnis, dass in binären Legierung grundlegend andere Prozesse ablaufen als in Ternären, nämlich die Bildung von Leerstellenclustern statt von Atomclustern. Schrittweises Hinzufügen des dritten Legierungselements zu einem der binären Legierungen führt zu einem kontinuierlichen Übergang zum typischen Verhalten des ternären Systems. Der Zusammenhang zwischen Vorauslagerung, Vorglühung und Aushärtung ist jetzt besser verstanden. Vorglühung für kurze Zeit „inertisiert“ die Legierung für eine bestimmte Zeit, während derer bei der anschließenden Raumtemperaturauslagerung keine Clusterbildung mehr stattfindet, die ihrerseits auf die folgende Aushärtung negative Auswirkungen hätte. Der Einfluss von Fe, Mn, Cr, Cu, Ti und Zn auf die Aushärtung einer kommerziellen 6016 Legierung konnte separat untersucht werden. Ti hat einen sehr großen Einfluss auf das Aushärtungsverhalten. Die Gründe dafür müssen noch weiter untersucht werden. Wir fanden, dass die Neutronenkleinwinkelstreuung das Potential hat, das Wachstum der härtenden, nadelförmigen Phasen in-situ quantitativ zu charakterisieren und dabei Länge, Dicke und Volumenanteil der Nadeln unabhängig zu messen. Demnach wachsen nadelförmige Ausscheidungen in den ersten Stunden hauptsächlich in der Länge und weniger in der Dickenrichtung. Die Messung der thermoelektrischen Kraft während der Raumtemperaturauslagerung lieferte überraschend deutliche Resultate, die aber nicht leicht interpretiert werden können. Beide Methoden haben trotzdem das Potential, zum weiteren Erkenntnisgewinn über das komplexe Legierungssystem Al-Mg-Si beizutragen.

Publications

• Influence of Mg/Si ratio on the clustering kinetics in Al-Mg-Si alloys. International Journal of Materials Research 103(8), 955–961 (2012)
  C.S.T. Chang, Z. Liang, E. Schmidt, J. Banhart
  
• Muon spin relaxation and positron annihilation spectroscopy studies of natural aging in Al- Mg-Si alloys. 13th International Conference on Aluminium Alloys (ICAA13), Pittsburgh, USA, 03-07 June 2012, Editors: H. Weiland at al., TMS and Wiley, pp. 37-42 (2012)
  S. Wenner, K. Matsuda, K. Nishimura, J. Banhart, T. Matsuzaki, D. Tomono, F.L. Pratt, M. Liu, Y. Yan, C.D. Marioara, R. Holmestad
  
• A positron study of early clustering in Al-Mg-Si alloys. Materials Science Forum 794-796, 33-38 (2014)
  M. Liu, J. Cizek, C.S.T. Chang, J. Banhart
  
• Ageing characteristics of Al-Mg-(Ge,Si)-Cu alloys. Materials Science Forum 794-796, 971-976 (2014)
  M. Liu, C.D. Marioara, R. Holmestad, J. Banhart
  
• Early stages of atom clustering in an Al-Mg-Si alloy. Acta Materialia 91, 355–364 (2015)
  M. Liu, J. Cizek, C.S.T. Chang, J. Banhart
  
• In situ characterization of β'' precipitation in an Al-Mg-Si alloy by anisotropic small-angle neutron scattering on a single crystal. Journal of Applied Crystallography 48, 455-463 (2015)
  C.S.T. Chang, F. de Geuser, J. Banhart
  
• Effect of Cu and Ge on solute clustering in Al-Mg-Si alloys. Materials Science and Engineering A 658, 238–245 (2016)
  M. Liu, J. Banhart
  
• Positron lifetime study of formation of vacancy clusters and dislocations in quenched Al, Al- Mg and Al-Si alloys. Journal of Materials Science 51(16), 7754–7767 (2016)
  M. Liu, B. Klobes, J. Banhart
  
• Effect of Sn and In on the natural ageing kinetics of Al-Mg-Si alloys. Materialia 6, 100261 (2019)
  M. Liu, X.-P. Zhang, B. Körner, M. Elsayed, Z.Q. Liang, D. Leyvraz, J. Banhart
  
• Influence of Sn on the age hardening behaviour of Al-Mg-Si alloys at different temperatures. Materialia 8, 100441 (2019)
  X.P. Zhang, M. Liu, H.M. Sun, J. Banhart