The two-phase Al-Si alloy is ideal for wear applications due to the high hardness of the Si phase, which imparts excellent wear resistance to the alloy. The shape, size and distribution of the Si phase have significant effects on the wear resistance. Microstructural modification is the logical approach to improving wear resistance, and further improvements may be achieved through refinement of the Al and Si phases to the nanometric regime (< 100 nm). However, bulk nanostructured materials lack ductility and are often associated with high manufacturing costs. A cladding approach, exploits the advantages of the nanostructured properties on the surface while maintaining the bulk properties of the substrate. Electrospark Deposition (ESD) and Spark Plasma Sintering (SPS) will be evaluated as potential methods to generate nanostructured Al-Si claddings. The solidification behaviour of the Al-12Si system using the ESD process was studied. The production and sintering of a nanostructured Al-Si powder was also investigated followed by a cladding operation in the SPS. The final claddings were then subjected to dry sliding wear testing. ESD was proven as a viable method of depositing nanostructured Al-Si. It was determined that the optimal pulse energy input required for the deposition of the binary Al-Si was 0.55 J. This resulted in a consistent layer ~30um thick after a single deposition. The minimum grain size of the aluminum and silicon phases was determined to range from ~52 to 76 nm and 5–11 nm respectively. It was determined that while the silicon content of the starting electrode had an effect on the microstructure of the deposition, the starting microstructure of the electrode did not. A binary Al-12Si powder was cryomilled and after 4 hours of cryomilling the grain size inside the powder reached 46 nm with a lattice strain of 0.09 %. Extension of the solubility limit of silicon in aluminum was achieved during cryomilling up to 1.72 at% of Si in solid solution. The extended solubility was removed after 1 h of annealing at 100 C and grain growth was observed when the temperature is further increased. The effects of different sintering times and temperatures using SPS on the densification of the powder, the growth of the Si phase and the morphology change of the Si phase were investigated. The Al and Si phase growth were investigated and it was observed that the Si coarsening rate is increased due to the increased volume of grain boundaries. As the Si coarsens, any pinning effect on the Al grains would be lost, resulting in a highly unstable microstructure that coarsens rapidly. The cryomilling was effective in breaking up the eutectic phase in the powder to modify the morphology of the Si phase from plate-like to spherical. A cladding of Al-Si created from nanostructured powder was successfully bonded to a wrought AA7075 substrate using Spark Plasma Sintering. The final state of the substrate regardless of the starting microstructure had the η (MgZn2) phase present indicating an over aged microstructure. The peak hardness of the substrate was not achievable via a secondary aging treatment after sintering, but was recovered after full solutionization and aging. The bond between the cladding and the substrate was tested by three-point bending and in all tests, fracture occurred in the Al-Si cladding.Sliding wear testing was performed and the final wear rates measured were 8.0x10^-3 mm^3N^-1m^-1 (as-cast), 1.3x10^-2 mm^3N^-1m^-1 (SPS), and 2.2x10^-3 mm^3N^-1m^-1 (ESD) after 2000 cycles of sliding. The ESD sample exhibited lower wear rates than the as-cast and SPS samples, which showed similar wear rates, in spite of having different initial hardnesses. The SPS sample appeared to suffer from subsurface cracking. The extreme refinement of the Al and Si phases achieved for sample ESD was much higher than what resulted during the wear of the As-cast and SPS surfaces and as a result showed lower wear rates throughout testing. / L'alliage à deux phases Al-Si est idéal pour des applications de résistance dû à la dureté de la phase Si qui donne une excellente résistance à l'usage. La géométrie, grandeur et distribution de la phase Si ont des effets significatifs. Modifier la microstructure est l'approche logique pour améliorer la résistance à l'usage. D'autres améliorations peuvent être atteints par le raffinement des phases Al et Si. Par contre, les matériaux nanostructurés en vrac manquent de ductilité et s'associent souvent à des coûts de production élevés. Un approach utilisant le placage exploite les avantages des propriétés de nanostructures sur la surface tout en gardant la majorité des propriétés du substrat. Electrospark Deposition (ESD) et Spark Plasma Sintering (SPS) seront évalués comme méthodes potentielles pour générer des placages d'Al-Si nanostructuré. Le comportement de solidification du system Al-12Si en utilisant le ESD était étudié. La production et le frittage d'une poudre d'Al-Si nanostructurée étaient examinés suivi par un placage dans l'SPS. Les placages ont subi un test de résistance par glissage sec. L'ESD est une méthod éfficace pour la déposition de l'Al-Si nanostructuré. Ce fut déterminé que l'énergie optimale pour la déposition de l'Al-12Si était 0.55 J. Le résultat était une simple déposition consistante et dense d'une épaisseur de ~ 30 um. La grosseur minimale des grains des phases d'Al et de Si était entre 52-76 nm et 5-11 nm respectivement. Ce fut déterminé que pendent que le contenu de silicon de l'électrode premier avait une effet sur la microstructure du déposition, la microstructure débutante n'avait pas d'effet. La poudre d'Al-12Si a subit un broyage cryogénique et après 4 h la grosseur des grains à l'intérieur de la poudre a atteint 46 nm avec une tension du réseau de 0.09 %. Une extension de la limite de solubilité du Si dans l'Al fut atteint après le moulage, jusqu'à 1.72 %at de Si en solution solide. Cette extension de solubilité fut enlevé après un traitment de chauffage d'1 h à 100C et une croissance des grains fut observé une fois que la température s'est accrut. Les effets de temps et températures variés de frittage en utilisant l'SPS sur la densification de la poudre, l'accroissement de la phase Si et la morphologie dans le changment du phase Si furent examinés. La croissance des phases Si et Al fut examinée et ce fut observé que la vitesse d'alourdissement du Si est accru dû à l'accroissement des limites des grains. Pendant que le Si s'alourdisse, il aurait une perte d'effet d'épinglement résultant d'une microstructure instable. Le broyage cryogénique fut efficace pour défaire la phase eutectique de la poudre et modifier la morphology de la phase Si de sphérique à plat. Une placage de l'Al-Si de la poudre nanostructurée fut joint à un substrat AA7075 par SPS. L'état final du substrac avait la phase η (MgZn2) present qui indique une microstructure suragée. La dureté maximale du substrat ne fut pas achevée par un traitement de vieillissement secondaire suivant frittage. Ce fut recouvert après une mise en solution complète et un traitement de vieillissement. Le joint entre les deux materiaux fut testé par un plissage à trois points et tous les tests de fracture se sont produits dans le placage du Al-Si. Des tests d'usage par glissage fut performés et les vitesses d'usage finales étaient 8.0x10^-3 mm^3N^-1m^-1 (AC), 1.3x10^-2 mm^3N^-1m^-1 (SPS) et 2.2x10^-3 mm^3N^-1m^-1 (ESD) après 2000 cycles. L'échantillon du ESD a démontré des vitesses d'usage plus bases que ceux du AC et d'SPS, qui démontraient des vitesses d'usage pareils, même s'ils avaient des duretés initiales différentes. L'échantillon du SPS semblait souffrir de fractures sous-surface. Le raffinement extrême des phases d'Al et Si atteint pour l'échantillon d'ESD était beaucoup plus élevée que ce qui était résultant durant l'usage des surfaces as-cast et SPS et comme résultat démontrait des vitesses d'usage plus bases pendent l'examination.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119437 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Milligan, Jason |
| 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 | English |
| 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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