The solidification behavior of an Aluminum-Lithium-Copper (Al-Li-Cu) alloy, AA2199, and the microstructural morphology and solute distributions resulting from three rapid solidification processing techniques were investigated. Controlled-Short-Circuiting Metal-Inert-Gas (CSC-MIG) welding, Laser Re-melting (LRM), and Electrospark Deposition (ESD) were investigated. The morphology of the rapidly solidified material was then compared with the Kurz-Giovanola-Trivedi (KGT) model for microstructural development during rapid solidification, to allow for the estimation of the solidification front velocity (SFV) realized during processing. This SFV was then compared with that required for non-equilibrium solute partitioning as predicted by the Continuous Growth Model (CGM) of Aziz. The solute distributions where then measured and compared with that expected for equilibrium and non-equilibrium partitioning, to determine if the solute trapping phenomenon had been induced during solidification. The CSC-MIG deposited material displayed a fine (4.3 ±1 μm) cellular structure, comparable to that reported for electron beam welding. The SFV was estimated to be ~2-4.5x10-4m/s, a value below that required to impart any deviation from equilibrium partitioning. Chemical analysis via Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and Time-Of-Flight Secondary-Ion-Mass-Spectroscopy (TOF-SIMS) revealed lateral segregation of copper to the cell walls, and a similar segregation profile to that predicted by the Clyne-Kurz model. TOF-SIMS also revealed a homogeneous lateral lithium distribution, while depth profiling displayed some lithium enrichment at the surface.Within the LRM material it was determined that laser pulse energies on the order of 0.25 – 0.5 Joules resulted in a fine cellular solidification structure. The SFV was estimated to be between 3 and 25cm/s were realized during solidification. Furthermore, a pulse energy of 0.125J resulted in a featureless solidification structure. The SFV for the samples produced with a pulse energy of 0.125J was estimated to be >1m/s. The CGM predicted a deviation from equilibrium partitioning all pulse energy levels employed. This was supported by the chemical profiling of lithium within the re-melted samples measured via X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Measurement of the lattice parameter via X-ray diffraction (XRD) revealed that the solute trapping phenomenon resulted in the formation of a super saturated solid solution, evident through a reduction of the lattice parameter from 4.0485 Å for the starting material to 4.0399 Å in the LRM material produced with a pulse energy of 0.125 Joules. The analysis of the ESD solidified material revealed the breakdown of a planar solid-liquid interface into a cellular morphology, resulting in fine copper rich cells within the microstructure (~30-60nm in width). The KGT model predicted this occurred at a SFV of ~1m/s. The CGM predicted significant trapping of Li at a SFV of 1m/s, which was supported by the TOF-SIMS data, which revealed a homogeneous distribution of lithium within the solidified material. Finally Atom-Probe-Tomography revealed the presence of Al3Li upon the cell walls. It was then determined that the Al3Li was not formed during the solidification process, as predicted by a time dependent nucleation model for phase suppression during rapid solidification, and the result of subsequent aging. It was also revealed that the T1 hardness of the LRM material is similar to that of the T3 BM. It was therefore concluded that the LRM process is capable of producing SFF components of AA2199, which can achieve adequate hardness via a natural aging process, without requiring cold-working prior to aging. Finally the LRM solidified material in the T5 condition was determined to be capable of aging to 81% of the hardness (~122HV) of the BM in the T8' condition, without the application of a cold working process prior to aging. / Le comportement de solidification d'un alliage aluminium-lithium (Al-Li), AA2199, et la morphologie microstructurale des distributions de soluté de trois techniques rapides de traitement de solidification ont été étudiés. Contrôle de court-circuit métallique de gaz inerte (CSC-MIG), Re-fondrement au Laser (LRM), et dépôt d'électro-érosion (ESD), ont été étudiés. La morphologie microstructurale du matériel solidifié rapidement a ensuite été comparée au modèle Kurz-Giovanola-Trivedi (KGT) qui décrit le développement microstructurale lors de la solidification rapide afin de permettre l'estimation de la vitesse du front de solidification (SFV) apparaissant au cours du traitement. Cet SFV a ensuite été comparé à celui des partitions de soluté non-équilibrés prédit par le modèle de croissance continue d'Aziz. Les distributions de soluté ont ensuite été mesurées et comparées à celles prédites pour l'éffet de partage à l'équilibre et hors d'équilibre afin de déterminer si le phénomène de piégeage de soluté a été incité au cours du solidification.Le matériel déposé par CSC-MIG affiche une structure cellulaire très fine(4,3 ± 1 micron) et comparable à celle rapportée antérieurement pour le soudage par faisceau d'électrons. L'estimation de l'SFD est d'environ 2-4.5x10-4m / s. Ceci est inférieure à celle requise pour causer une déviation de partition à l'équilibre comme prévu par le CGM. L'analyse chimique par EDS et TOF-SIMS a révélé une ségrégation latérale de cuivre sur les parois cellulaires et un profil de ségrégation semblable à celui prédit par le modèle Clyne-Kurz. Time-Of-Flight-secondary-Ion Mass Spectroscopy-(TOF-SIMS) a révélé une distribution latérale homogène de lithium. Cependant, le profile en profondeur affiche une certaine quantité d'enrichissement de lithium à la surface du matériel déposé.Au sein du matériel LRM, il a été déterminé que les énergies de pulsation au laser à l'ordre de 0,125 à 0,5 Joules causent une structure cellulaire de solidification fine. Il a ensuite été estimé que des vitesses de front de solidification (SFV) entre 3 et 25 cm / s ont été atteints au cours de la solidification. Le CGM pour le piégeage des solutés a prédit une déviation des partitions à l'équilibre lors de la solidification pour tous niveaux d'énergie de pulsation employés. Ce phénomène a été appuyé par le profile chimique de lithium dans les échantillons refondus et mesurés à l'aide du spectroscopie de photoélectrons au rayons X (XPS). Les mesures du paramètre du réseau crystalline par diffraction de rayons X (XRD) ont révélé que le phénomène de piégeage de soluté donne lieu à la formation d'une solution saturée super-solide, ce qui est démontré par une réduction du paramètre du réseau de 4,0485 Å pour le matériel de départ comparé à 4,0399 Å pour le matériel refondu avec une énergie de pulsation de 0,125 joule.L'analyse de la matière solidifiée par ESD a révélé la désintégration de l'interface planaire solide-liquide en une morphologie cellulaire qui entraîne la présence de cellules fines riches en cuivre à l'intérieure de la microstructure (~ 30-60nm de largeur). Le modèle déduit par KGT prédit que ceci se produit à un SFV d'environ 1m / s. Le CGM prédit une piégeage significatif de lithium à une SFV de 1 m / s, ce qui a été soutenu par les données TOF-SIMS qui ont révélé une distribution homogène de lithium dans le matériel solidifié. Ensuite, la tomographie par sonde d'atoms a révélé la présence de la phase Al3Li sur les parois des cellules riches en cuivre. De plus, il a été déterminé que le Al3Li n'a pas été formé lors de la solidification. Ceci est prédit par un modèle temporel de nucléation qui sert à la prédiction de la suppression de phases au cours de la solidification rapide, et donc le résultat est un processus de vieillissement antérieur.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.117033 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Heard, David |
| Contributors | Mathieu Brochu (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mining and Materials) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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