Effects of Mg and Si additions to novel Al-Ce based alloys for aerospace applications

Abstract

The experimental work in this thesis is focused on the alloying effects of Mg and Si in Al-Ce base alloys. The alloys were gravity cast over a 20-point (or target chemical compositions) test matrix. X-ray diffraction, optical microscopy, Vickers hardness, density determination, and thermogravimetric analysis paired with differential thermal analysis were the characterization methods of choice. The outcomes correlate the effects of the phases present with thermal properties, hardness, and density. The Al-Ce eutectic is used as the groundwork in assessing the effects of Mg and Si on the phases present, thermal properties, hardness, and density. The experimentation revealed that: 1) adding Mg to the eutectic increases hardness, reduces density, and lowers the alloy melting temperature, 2) adding Si to the eutectic promotes the formation of τ1 phase formation and brings down the melting temperature, 3) alloying the eutectic with both Mg and Si hardened the alloys, lowered density, and kept melting temperatures near 580 °C. Alloy hardening was studied through a 10-hour T4 heat treatment and a melt and quench sequence. Both the T4 and M&Q heat treatments confirmed that the strengthening mechanism in the Al-Ce-Mg and Al-Ce-Mg-Si alloys is responsive to increments in Mg levels. The T4 heat treatment revealed the dissolution of the τ1 phase and formation of τ2. The latter led to quantification of the diffusivity of Si for the dissolution rate of τ1 in Al-Ce-Mg-Si alloys.

El trabajo experimental en esta tesis se centra en los efectos del agregado de Mg y Si a aleaciones a base de Al-Ce. Estas aleaciones se fundieron por gravedad siguiendo una matriz de prueba de 20 puntos (o composiciones químicas). Los métodos de caracterización elegidos fueron difracción de rayos X, microscopía óptica, dureza Vickers, determinación de la densidad y análisis termogravimétrico junto con análisis térmico diferencial. Los resultados correlacionan los efectos de las fases presentes con propiedades térmicas, dureza y densidad. El eutéctico Al-Ce se utiliza como base para evaluar los efectos del Mg y el Si en las fases presentes, las propiedades térmicas, la dureza y la densidad. La experimentación reveló que: 1) agregar Mg al eutéctico aumenta la dureza, reduce la densidad y disminuye la temperatura de fusión de la aleación, 2) agregar Si al eutéctico promueve la formación de la fase τ1 y baja la temperatura de fusión, 3) alear al eutéctico con Mg y Si endureció las aleaciones, disminuyó la densidad y mantuvo las temperaturas de fusión cerca de 580 °C. El endurecimiento de la aleación se estudió mediante un tratamiento térmico T4 de 10 horas y una secuencia de fundición y templado. Ambos tratamientos térmicos confirmaron que el mecanismo de fortalecimiento en las aleaciones Al-Ce-Mg y Al-Ce-Mg-Si responde a los incrementos en los niveles de Mg. El tratamiento térmico T4 reveló la disolución de la fase τ1 y la formación de τ2. Esto último condujo a la cuantificación de la difusividad de Si y así obtener la velocidad de disolución de τ1 en aleaciones de Al-Ce-Mg-Si.