Advanced aluminium alloys prepared by powder metallurgy and spark plasma sintering

• Thesis title in Czech: Moderní hliníkové slitiny připravené práškovou metalurgií a plasmovým sintrováním
• Thesis title in English: Advanced aluminium alloys prepared by powder metallurgy and spark plasma sintering
• Key words: Al slitiny, prášková metalurgie, plynová atomizace, mechanické mletí, plasmové sintrování
• English key words: aluminium alloys, powder metallurgy, gas atomization, mechanical milling, spark plasma sintering
• Academic year of topic announcement: 2013/2014
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Physics of Materials (32-KFM)
• Supervisor: doc. RNDr. Přemysl Málek, CSc.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 26.09.2014
• Date of assignment: 26.09.2014
• Confirmed by Study dept. on: 28.01.2015
• Date and time of defence: 20.09.2018 00:00
• Date of electronic submission: 18.07.2018
• Date of submission of printed version: 18.07.2018
• Date of proceeded defence: 20.09.2018
• Opponents: doc. Ing. Petr Haušild, Dr.
• Advisors: doc. RNDr. Miroslav Cieslar, CSc.

Guidelines

1. Zpracovat podrobnou rešerši literatury o přípravě Al slitin metodou práškové metalurgie a plasmového sintrování, o jejich mikrostruktuře a mechanických vlastnostech
2. Připravit vybrané Al slitiny metodou práškové metalurgie a plasmového sintrování
3. Studovat fázové složení připravených materiálů metodou rtg difrakce
4. Studovat mikrostrukturu připravených materiálů metodami světelné mikroskopie, řádkovací elektronové mikroskopie a mikroskopie atomárních sil
5. Studovat mechanické vlastnosti připravených materiálů měřením mikrotvrdosti a metodou tahových zkoušek
6. Zpracovat získané výsledky do odborných publikací

References

J.S. Benjamin: Metall. Trans. 1, 1970, s. 2943
J.W. Edington, K.N. Melton, C.P. Cultler: Prog. Mat. Sci. 21, 1976, s. 61-158
R.Z. Valiev, R. K. Islamgaliev, I.V. Alexandrov“ Prog. Mat. Sci. 45, 2000, s. 103-189
D.B. Witkin, E.J. Lavernia, Prog. Mat. Sci. 51, 2006, s. 1-60
R.Z. Valiev, T.G. Langdon: Prog. Mat. Sci. 51, 2006, s. 881-981
J. Ye, L. Ajdelsztajn, J. M. Schoenung: Metall. Mater. Trans. A 37, 2006, s. 2569-2579
A. Zuniga, L. Ajdelsztajn, E. J. Lavernia: Metall. Mater. Trans. A 37, 2006, s. 1343-1352
J. Xiong, D. Liu, Y. Li et al.: Metall. Mater. Trans. A 43, 2012, s. 327-339
D. Liu, Y. Xiong, T. D. Topping et al.: Metall. Mater. Trans. A 43, 2012, s. 340-350
P. Málek, J. Erlebach, M. Cieslar et al.: Phys. Stat. Sol. (a) 157, 1996, s. 275-286
P. Málek, M. Janeček, B. Smola et al.: J.Mater. Sci. 35, 2000, s. 2625-2633

Preliminary scope of work

Mechanické vlastnosti hliníkových slitin jsou ovlivněny jejich chemickým složením, fázovým složením a mikrostrukturou. Pro dosažení vysoké pevnosti je žádoucí vytvořit jemnozrnnou strukturu (zrna s mikronovou či submikronovou velikostí) s vysokým frakčním objemem jemných, homogenně dispergovaných částic. K přípravě takových materiálů je možné využít metod práškové metalurgie – atomizace taveniny s následným velmi rychlým tuhnutím či intenzivního mletí, které do materiálu vnáší vysokou deformační energii. Ta může být ještě zvýšena snížením teploty mletí do kryogenní oblasti. Pomocí metod práškové metalurgie je možné připravit práškové materiály v extrémně nerovnovážném stavu s obsahem příměsí v Al matrici výrazně překračujícím rovnovážnou mez rozpustnosti. Vhodnou volbou příměsi a tepelného zpracování je možné připravit Al slitiny, které si svoji vysokou pevnost zachovají i u vysokých teplot.
Pro zhutnění prášků se používá řada metod. Jedním z nejefektivnějších způsobů je metoda plasmového sintrování. Její největší výhodou je vysoká rychlost ohřevu a tím snížení doby, po kterou je materiál vystaven vysokým teplotám, kdy by mohlo docházet k nežádoucímu hrubnutí zrna a zpevňujících částic, popř. k jejich rozpouštění. Tím je možné zachovat žádoucí strukturu materiálů, která může vést kromě vysoké pevnosti i ke zvýšení tvařitelnosti, případně až k superplastickému chování u zvýšených teplot.
Navržená problematika je velice moderní a její řešení by mělo přinést nové poznatky nejen pro základní výzkum, ale i pro případné praktické aplikace.

Preliminary scope of work in English

Mechanical properties of Al-based alloys are influenced by their chemical composition, phase composition, and microstructure. In order to achieve a high strength, it is desired to prepare a fine-grained material (with grains of micrometer or sub-micrometer size) containing a high volume fraction of fine, homogeneously distributed particles. Such materials can be prepared using powder metallurgical methods – either by melt atomization followed by rapid solidification or by ball milling introducing high deformation energy into the material. This energy can be further increased by a reduction in milling temperature to the cryogenic region. Using methods of powder metallurgy, materials with increased content of solutes in Al matrix, extremely exceeding the equilibrium solubility limit, can be prepared. A suitable choice of solutes and thermal treatment makes it possible to prepare Al alloys which retain their high strength even at high temperatures.
There are many methods of powder consolidation. The spark plasma sintering is probably the most efficient one. The main advantage of this method is a high heating rate and a reduction of time when the material is exposed to high temperatures where the undesired grain coarsening, particle coarsening or even particle dissolution can occur. The suitable microstructure can be thus maintained and, simultaneously with high strength, an increased formability or even superplastic behaviour at elevated temperatures can be expected.
The topic is very modern and should yield new results important not only for the basic research but also for technical applications.