Comparative Study of Mechanical Properties and Microstructure of Components Made by Casting and Wire + Arc Additive Manufacturing of Eutectic Al-12Si Alloy

Masteroppgaven vurderer sammenhengen mellom additiv tilvirkning ved lysbuesveising med trådmater (eng. Wire and Arc Additive Manufacturing, fork. WAAM) og støping av aluminium legert med silisiuminnhold (Si) på 12% (Al-12Si). WAAM er en teknikk for å sveise lagvis tredimensjonale produkter designet i dataassistert konstruksjon (eng. computer-aided design, fork. CAD), og er lønnsom for småserieproduksjon. Det er per desember 2018 lite litteratur om WAAM-teknologi, særlig kjølehastigheten. Støpeteknologien for aluminium kan fylle tomrommet og akselerere utviklingen av WAAM. Denne studien sammenligner arbeidsstykker i Al-12Si-legering tilvirket ved WAAM og støping, med hensyn til deres mekaniske og mikrostrukturelle egenskaper. WAAMarbeidsstykket er av legeringen Aluminium Association (AA) 4047 og ble skåret inn i mindre prøver. Støpestykkene er av legeringen Al-12Si med tilsatt strontium og ble støpt i en permanent stålform og i tre sandformer. Permanentformen kan gjenbrukes for flere støpninger, mens sandformene kan brukes kun én gang. Støpeformen er sylformet for å tilsvare en typisk sveisestreng og for å oppnå et spektrum av kjølehastigheter. To bruddmekanismer er observert i bruddflaten på en permanentstøpt strekkprøve etter gjennomført strekktest. Den ene er sprøe (Si) partikler og den andre gass- og krympeporer. Al-12Si-legeringen er duktil og brekker når spenningskonsentrasjonen finner sted ved de skarpe partiklene eller porene, og vokser til intergranulære brudd. De observerte dendrittsporene indikerer inneslutninger mellom dendrittarmene. Sekundær dendrittarmsavstand (SDAS) måles for prøvene og brukes deretter i beregning av kjølehastighetene. Resultatene er avrundet til 6 μm i avstanden og 620 Ks- 1 i hastigheten for WAAM-prøvene, 11 μm og 100 Ks-1 for permanentstøpningene og 21 μm og 15 Ks-1 for sandstøpningene. SDAS for WAAM er større i delvis smeltet-sonen enn i smeltesonen. Dendrittene i varmepåvirket-sonen er små og sammenklemt. En mulig sammenheng i SDASmålingene er funnet for smeltesonen i WAAM-prøven og for midtdelen av permanentstøpningen. Sammenligningen av de mekaniske egenskapene for Al-12Siprøvene kan tolkes dithen at jo større kjølehastighet, desto høyere styrke, større forlengelse og høyere hardhet. En permanentform med enda mindre diameter kan oppnå SDAS og kjølehastigheter tilsvarende de for WAAM-prøven. Ytterlig arbeid bør utføres for å analysere fasene rundt de utfelte (Si)-partiklene og dendrittene, og for å kartlegge komponentelementegenskapene til WAAM-prøven og støpningene

Comparative Study of Mechanical Properties and Microstructure of Components Made by Casting and Wire + Arc Additive Manufacturing of Eutectic Al-12Si Alloy

Masteroppgaven vurderer sammenhengen mellom additiv tilvirkning ved lysbuesveising med trådmater (eng. Wire and Arc Additive Manufacturing, fork. WAAM) og støping av aluminium legert med silisiuminnhold (Si) på 12% (Al-12Si). WAAM er en teknikk for å sveise lagvis tredimensjonale produkter designet i dataassistert konstruksjon (eng. computer-aided design, fork. CAD), og er lønnsom for småserieproduksjon. Det er per desember 2018 lite litteratur om WAAM-teknologi, særlig kjølehastigheten. Støpeteknologien for aluminium kan fylle tomrommet og akselerere utviklingen av WAAM. Denne studien sammenligner arbeidsstykker i Al-12Si-legering tilvirket ved WAAM og støping, med hensyn til deres mekaniske og mikrostrukturelle egenskaper. WAAM-arbeidsstykket er av legeringen Aluminium Association (AA) 4047 og ble skåret inn i mindre prøver. Støpestykkene er av legeringen Al-12Si med tilsatt strontium og ble støpt i en permanent stålform og i tre sandformer. Permanentformen kan gjenbrukes for flere støpninger, mens sandformene kan brukes kun én gang. Støpeformen er sylformet for å tilsvare en typisk sveisestreng og for å oppnå et spektrum av kjølehastigheter. To bruddmekanismer er observert i bruddflaten på en permanentstøpt strekkprøve etter gjennomført strekktest. Den ene er sprøe (Si) partikler og den andre gass- og krympeporer. Al-12Si-legeringen er duktil og brekker når spenningskonsentrasjonen finner sted ved de skarpe partiklene eller porene, og vokser til intergranulære brudd. De observerte dendrittsporene indikerer inneslutninger mellom dendrittarmene. Sekundær dendrittarmsavstand (SDAS) måles for prøvene og brukes deretter i beregning av kjølehastighetene. Resultatene er avrundet til 6 μm i avstanden og 620 Ks-1 i hastigheten for WAAM-prøvene, 11 μm og 100 Ks-1 for permanentstøpningene og 21 μm og 15 Ks-1 for sandstøpningene. SDAS for WAAM er større i delvis smeltet-sonen enn i smeltesonen. Dendrittene i varmepåvirket-sonen er små og sammenklemt. En mulig sammenheng i SDAS-målingene er funnet for smeltesonen i WAAM-prøven og for midtdelen av permanentstøpningen. Sammenligningen av de mekaniske egenskapene for Al-12Si-prøvene kan tolkes dithen at jo større kjølehastighet, desto høyere styrke, større forlengelse og høyere hardhet. En permanentform med enda mindre diameter kan oppnå SDAS og kjølehastigheter tilsvarende de for WAAM-prøven. Ytterlig arbeid bør utføres for å analysere fasene rundt de utfelte (Si)-partiklene og dendrittene, og for å kartlegge komponentelementegenskapene til WAAM-prøven og støpningene

Comparative study of eutectic Al-Si alloys manufactured by WAAM and casting

Wire and arc additive manufacturing (WAAM) of metallic materials is expected to become part of the new industrial revolution. The possibilities for complex designs and superior mechanical properties can in many cases replace traditional manufacturing processes such as casting. In order to benchmark the properties of aluminium WAAM components, a comparative study was performed with two different casting techniques: permanent casting with steel mould and sand mould casting. Aluminium-silicon alloys with near eutectic composition were used for the comparison. Porosity levels, secondary dendrite arm spacing, grain size distribution, tensile strength and microhardness were considered for the comparison. The WAAM material exhibited superior mechanical properties originating from a finer dendritic and eutectic microstructure compared with the castings. A slight anisotropy in tensile ductility was observed in the WAAM material, probably due to a coarse microstructural zone between individual beads. All investigated materials had low levels of porosity, < 1% by area fraction. The comparative study has shown that WAAM of aluminium-silicon alloys is well suited for high-integrity applications.publishedVersio

Comparative study of eutectic Al-Si alloys manufactured by WAAM and casting

Wire and arc additive manufacturing (WAAM) of metallic materials is expected to become part of the new industrial revolution. The possibilities for complex designs and superior mechanical properties can in many cases replace traditional manufacturing processes such as casting. In order to benchmark the properties of aluminium WAAM components, a comparative study was performed with two different casting techniques: permanent casting with steel mould and sand mould casting. Aluminium-silicon alloys with near eutectic composition were used for the comparison. Porosity levels, secondary dendrite arm spacing, grain size distribution, tensile strength and microhardness were considered for the comparison. The WAAM material exhibited superior mechanical properties originating from a finer dendritic and eutectic microstructure compared with the castings. A slight anisotropy in tensile ductility was observed in the WAAM material, probably due to a coarse microstructural zone between individual beads. All investigated materials had low levels of porosity, < 1% by area fraction. The comparative study has shown that WAAM of aluminium-silicon alloys is well suited for high-integrity applications

Comparative study of eutectic Al-Si alloys manufactured by WAAM and casting

Wire and arc additive manufacturing (WAAM) of metallic materials is expected to become part of the new industrial revolution. The possibilities for complex designs and superior mechanical properties can in many cases replace traditional manufacturing processes such as casting. In order to benchmark the properties of aluminium WAAM components, a comparative study was performed with two different casting techniques: permanent casting with steel mould and sand mould casting. Aluminium-silicon alloys with near eutectic composition were used for the comparison. Porosity levels, secondary dendrite arm spacing, grain size distribution, tensile strength and microhardness were considered for the comparison. The WAAM material exhibited superior mechanical properties originating from a finer dendritic and eutectic microstructure compared with the castings. A slight anisotropy in tensile ductility was observed in the WAAM material, probably due to a coarse microstructural zone between individual beads. All investigated materials had low levels of porosity, < 1% by area fraction. The comparative study has shown that WAAM of aluminium-silicon alloys is well suited for high-integrity applications