Simulation and design of the homogenization process of 6xxx extrudable aluminum alloys
Authors: Σαράφογλου Παναγιώτα 
Published: August 2021

Οι σύγχρονες ελαφρές κατασκευές τόσο στην αυτοκινητοβιομηχανία όσο και την αεροπορική βιομηχανία απαιτούν την ανάπτυξη διελάσιμων κραμάτων αλουμινίου υψηλής αντοχής με βάση το σύστημα Al-Mg-Si (σειρά 6xxx). Η αύξηση της αντοχής είναι δυνατή με την αύξηση του επιπέδου κραμάτωσης σε Mg και Si, ώστε να σχηματιστεί μεγαλύτερο ποσοστό από τη φάση ισχυροποίησης Mg2Si (π.χ στα κράματα 6061 και 6082). Ωστόσο η αυξημένη κραμάτωση προκαλεί υποβάθμιση της διελασιμότητας και οδηγεί σε εξαιρετικά χαμηλές ταχύτητες διέλασης στα κράματα αυτά. Στην άλλη μεριά του φάσματος, δηλαδή σε εφαρμογές όπου απαιτείται χαμηλή αντοχή (π.χ. κράματα 6060 και 6063), η βασική βιομηχανική απαίτηση είναι η αύξηση της ταχύτητας διέλασης, η οποία με τη σειρά της οδηγεί σε αύξηση της παραγωγικότητας. Και στις δύο περιπτώσεις φαίνεται ότι η διελασιμότητα αποτελεί την «ιδιότητα-κλειδί» που πρέπει να ελεγχθεί και να βελτιωθεί μέσω ενός προσεκτικού σχεδιασμού της κατεργασίας ομογενοποίησης. Μέχρι τώρα το πρόβλημα αυτό έχει αντιμετωπιστεί περισσότερο εμπειρικά, με πειραματικές διαδικασίες σε εργαστηριακή αλλά και σε βιομηχανική κλίμακα, σε μία προσπάθεια να διερευνηθούν τόσο η επίδραση της χημικής σύστασης όσο και οι συνθήκες της κατεργασίας όπως η θερμοκρασία, ο χρόνος και ο ρυθμός ψύξης της ομογενοποίησης. Στις περισσότερες περιπτώσεις έχουν μελετηθεί μεμονωμένες επιδράσεις ενώ συνήθως δεν μελετάται η επιρροή του ιστορικού των κατεργασιών.Ο σχεδιασμός νέων κραμάτων της σειράς 6xxx με υψηλή αντοχή ή υψηλή διελασιμότητα απαιτεί την εφαρμογή μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας, η οποία να περιλαμβάνει όλους τους κρίκους της αλυσίδας κατεργασιών και την επίδρασή τους στη διελασιμότητα.Ο στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ήταν η εφαρμογή μιας μεθοδολογίας προσομοίωσης, επικυρωμένης με πειραματικά δεδομένα, για την περιγραφή της επίδρασης της χημικής σύστασης και των συνθηκών ομογενοποίησης στην μικροδομή του κράματος πριν τη διέλαση. Με τον τρόπο αυτό διαμορφώθηκαν κανόνες σχεδιασμού, που αφορούν στη σύσταση και τη κατεργασία, για την ανάπτυξη κραμάτων υψηλής διελασιμότητας.Οι τεχνικές της υπολογιστικής θερμοδυναμικής και κινητικής κραμάτων εφαρμόστηκαν για την πρόβλεψη της ταχύτητας των μετασχηματισμών των φάσεων, που διαμορφώνουν την μικροδομή κατα μήκος της αλυσίδας κατεργασιών στα διελάσιμα κράματα αλουμινίου. Αυτή η μεθοδολογία είναι πολύ αποτελεσματική και εφαρμόστηκε για την προσομοίωση διεργασιών όπως η στερεοποίηση και η διαμόρφωση του μικροδιαφορισμού κατά τη χύτευση, η απομείωση του μικροδιαφορισμού, η διαλυτοποίηση του Mg2Si και ο μετασχηματισμός των ενδομεταλλικών ενώσεων του σιδήρου κατά την ομογενοποίηση αλλά και η επανακαθίζηση του Mg2Si κατά την ψύξη από τη θερμοκρασία ομογενοποίησης.Πιο συγκεκριμένα, η υπολογιστική θερμοδυναμική, βασισμένη στη μεθοδολογία CALPHAD, εφαρφόστηκε για την διενέργεια προσομοιώσεων στερεοποίησης τύπου Scheil-Gulliver. Με το τρόπο αυτό υπολογίστηκε ο μικροδιαφορισμός των στοιχείων και των φάσεων στη χυτή μικροδομή σε συνάρτηση με τη χημική σύσταση του κράματος. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων επικυρώθηκαν με πειραματικά δεδομένα ποσοτικής μεταλλογραφίας, που αφορούσαν στη μέτρηση του ποσοστού των φάσεων. Έτσι διαμορφώθηκαν χάρτες που απεικονίζουν τα ποσοστά της φάσης ισχυροποίησης Mg2Si και της φάσης που περιορίζει τη διελασιμότητα, την β-AlFeSi, σε συνάρτηση με τα κραματικά στοιχεία Mg και Si. Οι χάρτες αυτοί υποδεικνύουν ότι χαμηλή κραμάτωση σε Si και υψηλή κραμάτωση σε Mg οδηγεί σε χαμηλά ποσοστά της ανεπιθύμητης φάσης β-AlFeSi και ενδεχόμενη αύξηση της διελασιμότητας. Από την άλλη μεριά, υψηλότερη κραμάτωση τόσο σε Mg όσο και σε Si οδηγεί σε υψηλά ποσοστά της φάσης ισχυροποίησης Mg2Si και ενδεχόμενη αύξηση της αντοχής. Η κατασκευή των χαρτών για διαφορετικά ποσοστά Mn έδειξε ότι η προσθήκη Mn επιτρέπει την αύξηση της κραμάτωσης σε Mg και Si για την αύξηση της αντοχής, χωρίς την ταυτόχρονη αύξηση της ανεπιθύμητης φάσης β-AlFeSi στη χυτή μικροδομή.Για την επίλυση του προβλήματος της ομογενοποίησης σε πολυσυστατικά και πολυφασικά κραματικά συστήματα αλουμινίου, που παρουσιάζουν μεγάλη διασπορά στο μέγεθος του κόκκου, ανπτύχθηκε το μοντέλο ομογενοποίησης διπλού κόκκου (Dual Grain Model, DGM). Με το μοντέλο αυτό προσδιορίστηκε τόσο η χρονική όσο και η χωρική εξέλιξη του ποσοστού των διαφορετικών φάσεων της μικροδομής καθώς και του μικροδιαφορισμού κατά τη διάρκεια της ομογενοποίησης. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων επικυρώθηκαν με αντίστοιχα δεδομένα από πειραματικές τεχνικές XRD και SEM/EDX. Το DGM περιγράφει την χρονική και χωρική εξέλιξη του μετασχηματισμού β-AlFeSi→α-AlFeSi. Η χωρική εξέλιξη παρουσιάζει μια ακριβή αντιστοιχία μεταξύ των ποσοστών της α και β-AlFeSi. Επίσης το DGM προβλέπει την ταυτόχρονη διαλυτοποίηση της φάσης Mg2Si και την επανακαθίζησή της κατά τη ψύξη. Όλοι οι μετασχηματισμοί παρουσιάζουν μεγαλύτερες ταχύτητες στο μικρότερο κόκκο του DGM, γεγονός που υποδεικνύει ότι μία εκλέπτυνση του κόκκου της χυτής μικροδομής μπορεί να επιταχύνει την ομογενοποίηση. Επίσης το DGM προβλέπει σωστά την επίδραση της θερμοκρασίας ομογενοποίησης. Οι ταχύτητες τόσο της διαλυτοποίησης του Mg2Si όσο και του μετασχηματισμού β-AlFeSi→α-AlFeSi αυξάνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Τέλος πραγματοποιήθηκε μια αρχική προσπάθεια κατασκευής ενός χάρτη ομογενοποίησης (homogenization process map) με τη χρήση του DGM. Ο χάρτης αυτός, προς το παρόν, βασίζεται στο χρόνο περάτωσης του μετασχηματισμού β-AlFeSi→α-AlFeSi και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό της κατεργασίας ομογενοποίησης. Ταυτόχρονα πραγματοποιήθηκε και η ποσοτικοποίηση της κατάστασης ομογενοποίησης με τον προδσιορισμό μεταλλογραφικών δεικτών όπως η αναλογία πλάτους/μήκος και η κυκλικότητα των ενδομεταλλικών ενώσεων. Με τον τρόπο αυτό ποσοτικοποιήθηκε η εξέλιξη της μορφολογίας των ενδομεταλλικών ενώσεων κατά τη διάρκεια της ομογενοποίησης.Η καθίζηση κατά τη διάρκεια της ψύξης από τη θερμοκρασία ομογενοποίησης προσομοιώθηκε με το μοντέλο Kampman-Wagner-Numerical (KWN). Έτσι προσδιορίστηκε η κατανομή μεγέθους σωματιδίων και η εξέλιξη του κλάσματος όγκου και του μεγέθους των σωματιδίων. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιβεβαιώθηκαν από πειραματικές μετρήσεις της σκληρότητας.Η επίδραση του πρόσθετου Si (Excess Si) στην διαμόρφωση του διαγράμματος καθίζησης υπό συνεχή ψύξη (CCP diagram) που αφορά στη καθίζηση της μετασταθούς φάσης β΄- Mg2Si πραγματοποιήθηκε με το KWN. Αυτό επέτρεψε τον σχεδιασμό ενός προγράμματος ψύξης για την αποφυγή σχηματισμού της φάσης ισορροπίας β- Mg2Si και τον σχηματισμό της επιθυμητής φάσης β΄- Mg2Si. Αυτό οδηγεί στην εφαρμογή χαμηλότερης θερμοκρασίας προθέρμανσης πριν τη διέλαση και επιτρέπει την εφαρμογή μεγαλύτερων φορτίων στην πρέσσα διέλασης με σημαντική αύξηση της ταχύτητας διέλασης.Διαμορφώθηκαν κανόνες σχεδιασμού για την επίτευξη υψηλής διελασιμότητας. Οι κανόνες αυτοί αφορούν στη κραμάτωση, τη χυτή μικροδομή, την ομογενοποίηση και την ψύξη ομογενοποίησης. Μικρότερο μέγεθος κόκκου στη χυτή μκροδομή επιτρέπει την αύξηση της κινητικής κατά την ομογενοποίηση οδηγώντας σε μικρότερους χρόνους ομογενοποίησης. Το μέγεθος του κόκκου μπορεί να ελεγχθεί μέσω της ταχύτητας στερεοποίησης και του εμβολιασμού του υγρού μετάλλου για ετερογενή πυρήνωση κατά τη στερεοποίηση. Οι χάρτες του ποσοστού των φάσεων στη χυτή μικροδομή επιτρέπουν την επιλογή της κραμάτωσης σε Mg και Si για την μείωση της ανεπιθύμητης β-AlFeSi. Αυτό αποτελεί ένα καλό αρχικό σημείο για την ομγενοποίηση που ακολουθεί. Με το DGM είναι δυνατόν να υπολογιστεί ο απαιτούμενος χρόνος ομογενοποίησης. Με την ποσοτικοποίηση της κατάστασης ομογενοποίησης μέσω μεταλλογραφικών δεικτών φαίνεται ότι μια πλήρως ομογενοποιημένη κολώνα αλουμινίου για να έχει υψηλή διελασιμότητα πρέπει οι ενδομεταλλικές φάσεις να είναι σφαιροποιημένες και να παρουσιάζουν την μορφολογία neckless. Η ψύξη από τη θερμοκρασία ομογενοποίησης πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να αποφευχθεί ο σχηματισμός της β- Mg2Si και αντ’ αυτής να σχηματιστεί η μετασταθής φάση β΄- Mg2Si. Αυτό οδηγεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες προθέρμανσης και επιτρέπει την επιβολή μεγαλύτερων φορτίων στη πρέσσα για την επίτευξη υψηλής ταχύτητας διέλασης.Η ολοκληρωμένη προσομοίωση του μικροδιαφορισμού κατά τη στερεοποίηση, της διαλυτοποίησης του Mg2Si και του μετασχηματισμού των ενδομεταλλικών ενώσεων του σιδήρου β-AlFeSi→α-AlFeSi κατά την ομογενοποίηση καθώς και της επανακαθίζησης του Mg2Si κατά την ψύξη επιτρέπει τον σχεδιασμό τόσο νέων διελάσιμων κραμάτων αλουμινίου αλλά και της αντίστοιχης κατεργασίας ομογενοποίησης για την επίτευξη υψηλής διελασιμότητας, σε κλάσμα μόνο του χρόνου και κόστους, που απαιτείται για τον αντίστοιχο εμπειρικό σχεδιασμό.