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Main Title: Formation of intermetallic phases in Al-10Si-0.3Fe based alloys
Translated Title: Bildung von intermetallischen Phasen in Al-Si-basierten Legierungen
Author(s): Yu, Jiamin
Advisor(s): Banhart, John
Referee(s): Banhart, John
Herlach, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The emphasis of the work lies on finding out how impurities and the addition of Sr influence the formation of Fe-rich intermetallic phases and the formation of the eutectic Si phase in Al-Si casting alloys. A further objective of this study was the understanding of the influence of the cooling rate on the formation of intermetallic phases. For this purpose, four Al-10Si-0.3Fe-based casting alloys (high-purity alloy with and without addition of 200 ppm Sr and corresponding commercial alloys) have been chosen for this study. The experimental work was focused on the three-dimensional analysis of Fe-rich intermetallic phases using tomographic methods on the micrometer scale such as serial slicing with a Focused Ion Beam and Scanning Electron Microscopy imaging as well as synchrotron X-ray tomography. The three-dimensional analyses were supported by two-dimensional studies using a combination of optical microscopy, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Besides the well-known phases, i.e. the α intermetallic phase, the tetragonal δ phase and the β phase, a new γ phase was found. The composition of the γ phase is Al4.35FeSi, which is close to that of the β phase (Al4.5FeSi), but the morphology of the γ phase looks like the one of the α intermetallic phase. It features a trigonal R-centered crystal structure with hexagonal lattice parameters a = 1.034(5) nm, c= 1.983(8) nm and V= 1.836(25) nm3. The α intermetallic phase is dominant in the high-purity alloy, while in the modified alloy Sr promotes the formation of the δ phase. Additionally, Sr was found to suppress the formation of the β phase in the commercial alloy. Impurities play an effective role in the nucleation of the eutectic grains, which lead to an advantage for the formation of the coarse β phase. Cooling conditions influence the formation of intermetallics. Their formation is suppressed and refined during fast solidification. In contrast, a slow cooling rate promotes the formation of the coarse β phase. Focused Ion Beam tomography and synchrotron X-ray tomography have been used to characterize the three-dimensional morphologies, the locations and the volume fractions of the intermetallic phases formed in each investigated alloy. In-situ synchrotron X-ray tomography allowed for the observation of phase separation from the melt during solidification in real time. The nucleation of β and δ phases was observed and the phase solidification sequence has been clarified. β plates nucleate on or near the dendrite whereas the δ phase was observed to nucleate on the eutectic Si.
Der Schwerpunkt der Arbeit liegt darin, herauszufinden, wie Verunreinigungen und der Zusatz von Sr die Bildung von Fe-reichen intermetallischen Phasen und die Bildung der eutektischen Si-Phase in Al-Si-Gusslegierungen beeinflussen. Ein weiteres Ziel dieser Studie war das Verständnis des Einflusses der Abkühlgeschwindigkeit auf die Bildung intermetallischer Phasen. Für diese Studie wurden vier Al-10Si-0.3Fe-basierte Legierungen (hochreine Legierung mit und ohne Zugabe von 200 ppm Sr und entsprechende kommerzielle Legierungen) ausgewählt. Die experimentelle Arbeit konzentrierte sich auf die dreidimensionale Analyse von Fe-reichen intermetallischen Phasen mit tomographischen Methoden auf der Mikrometerskala, wie z. B. serielles Slicing mit Focused Ion Beam und Rasterelektronenmikroskopie sowie Synchrotron-Röntgentomographie. Die dreidimensionalen Analysen wurden durch zweidimensionale Untersuchungen unter Verwendung einer Kombination aus optischer Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie unterstützt. Neben den bekannten Phasen, d. H. Der α-intermetallischen Phase, der tetragonalen δ-Phase und der β-Phase, wurde eine neue γ-Phase gefunden. Die Zusammensetzung der & gamma; -Phase ist Al & sub4 ; ​​35FeSi, die nahe derjenigen der & beta; -Phase (Al & sub4; 5FeSi) ist, aber die Morphologie der & gamma; -Phase sieht wie die der intermetallischen Phase aus. Es besitzt eine trigonale R-zentrierte Kristallstruktur mit hexagonalen Gitterparametern a = 1,034 (5) nm, c = 1,983 (8) nm und V = 1,836 (25) nm3. Die α-intermetallische Phase ist in der hochreinen Legierung dominant, während in der modifizierten Legierung Sr die Bildung der δ-Phase fördert. Zusätzlich wurde gefunden, daß Sr die Bildung der & beta; -Phase in der kommerziellen Legierung unterdrückte. Verunreinigungen spielen eine wirksame Rolle bei der Keimbildung der eutektischen Körner, die zu einem Vorteil für die Bildung der groben β-Phase führen. Kühlbedingungen beeinflussen die Bildung von intermetallischen Verbindungen. Ihre Bildung wird unterdrückt und verfeinert während der schnellen Verfestigung. Im Gegensatz dazu fördert eine langsame Abkühlgeschwindigkeit die Bildung der groben & bgr; -Phase. Fokussierte Ionen-Strahltomographie und Synchrotron-Röntgentomographie wurden verwendet, um die dreidimensionalen Morphologien, die Orte und die Volumenanteile der intermetallischen Phasen, die in jeder untersuchten Legierung gebildet wurden, zu charakterisieren. In-situ-Synchrotron-Röntgen-Tomographie ermöglicht die Beobachtung der Phasentrennung aus der Schmelze während der Verfestigung in Echtzeit. Die Keimbildung der β- und δ-Phasen wurde beobachtet und die Phasenverfestigungssequenz wurde geklärt.
Exam Date: 16-Dec-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 13-Jan-2017
DDC Class: 600 Technik, Technologie
Subject(s): intermetallic
Al-Si alloys
synchrotron X-ray tomography
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