High temperature response of Er- and Zr- modified alloys. Experimental vs modelled results

The thesis work is aimed at evaluating the effects of the minor additions of Er and Zr on the precipitation process on aluminium alloys during isothermal aging. Thus, commercially pure Al and Al-7Si-0.4Mg (A356) alloys have been modified by adding Er and Zr in different combinations, with max amounts of them up to 0.3 and 0.6, respectively. Microstructural changes occurring during isothermal aging were experimentally monitored via Vickers hardness and electrical conductivity measurements. The changes related to the presence of Er occurred at early stages of high-temperature exposure, due to high diffusivity of this element in Al. On the other hand, the precipitation of Zr was slower, even if clearer. In the alloys with more complex composition the effect of specimens the effect of the minor addition of Er and Zr overlapped to that related to the formation of other precipitates, which partly hidden it. Finally, Thermocalc and Prisma simulations were performed to understand the role played by Er- and Zr- additions during solidification and during isothermal aging. The formation of Er-and Zr- intermetallic particles during solidification was partly responsible of the minor aging response in Al-Si-Mg than in Al-alloys. The presence of other alloying elements also affected the formation evolution of precipitates, described in terms of their volume fraction and radius, from which mechanical properties were derived.

L’obiettivo della tesi è la valutazione dell’effetto dell’aggiunta di piccole quantità di Er e Zr sul processo di precipitazione di leghe di alluminio durante l’invecchiamento isotermo. Dunque dell’alluminio commercialmente puro (Al) e la lega Al-7Si-0.4Mg (A356) sono stati modificati per aggiunta di Er e Zr in differenti combinazioni, fino all’ammontare massimo di 0.3 e 0.6 rispettivamente. Le variazioni microstrutturali che ne sono conseguite, durante il processo di invecchiamento isotermo, sono state monitorate sperimentalmente attraverso prove di durezza Vickers e misure di conduttività elettrica. Le variazioni dovute alla presenza di Er si sono verificate durante i primi stadi di esposizione alle temperature di invecchiamento, a causa dell’elevata diffusività dell’ Er nell’alluminio. D’altra parte la precipitazione dello Zr è più lenta, bensì più evidente. Nelle leghe con composizione più complessa l’effetto delle aggiunte di Er e Zr si sovrappone a quello della formazione di altri precipitati, i quali rendono la valutazione degli stessi più difficoltosa. Da ultimo, sono state effettuate delle simulazioni attraverso i software Thermocalc e Prisma al fine di valutare e comprendere il ruolo di Er- e di Zr- durante i processi di solidificazione e invecchiamento isotermo. La formazione di intermetallici di Er- e Zr- durante la solidificazione è parzialmente dovuta alla minore propensione all’invecchiamento della lega Al-Si-Mg rispetto all’Al. La presenza di altri elementi di lega ha anche influenzato la formazione e l’evoluzione dei precipitati, descritta in termini di percentuali di massa e volume, dai quali conseguono le proprietá meccaniche.