Design and characterization of lightweight non-equiatomic Al-Zn-Mg-Si Medium Entropy Alloys

Abstract

The development of lightweight materials for the transportation and aerospace industry is a crucial challenge today. Reducing weight without compromising structural properties and without significantly increasing costs is essential to mitigate fuel consumption and greenhouse gas emissions. While alloys of aluminum, magnesium, titanium, and beryllium, with densities ranging from 1.74 to 4.43 g/cm3, are commonly used, their limited properties and costs have driven the search for new alloys. High entropy alloys (HEAs), complex composition alloys (CCAs), and multiple element alloys (MPEAs) have gained attention due to their unique combination of properties. By exploring the central region of phase diagrams with multiple components, these alloys offer high strength, ductility, superconductivity, catalytic activity, corrosion resistance, and radiation tolerance. A novel subcategory, lightweight high-entropy alloys, incorporates light metallic elements to reduce weight while maintaining exceptional mechanical properties. Leveraging the high-entropy effect, these alloys promote the formation of solid solution phases instead of complex intermetallic phases. This innovative approach opens up new possibilities for developing advanced materials that outperform some established ones, showing great potential. However, these new lightweight high-entropy alloys exhibit high compression strength and hardness but often have little to no ductility. Therefore, this thesis focuses on designing lightweight alloys applying the high-entropy concept to select elements that can form an alloy with a high FCC solid solution, a crystal structure known for its high ductility, to address this issue. Furthermore, a thorough understanding of the physical and mechanical properties of these alloys is sought to evaluate their potential in future applications. To achieve this, chemical compositions have been defined to ensure good compatibility, high solubility, and melting at intermediate temperatures to form a high FCC solid solution. In-depth research into phase transformations in the designed alloy provides profound insights. From this perspective, compression properties were evaluated, and two techniques were applied to optimize and enhance mechanical properties, with a particular focus on achieving ductility. For the first technique, chemical composition was adjusted, and modifying elements like Sr and Sb were used, followed by heat treatments for phase modification, aiming to improve mechanical properties with special attention to ductility. For the second technique, two manufacturing methods, Near Solidus Forming and Directional Solidification, followed by heat treatments, were explored to change the microstructure and improve strength properties and achieve ductility through another approach. The results obtained from these two approaches, both chemical and process-related, have shown good compression strength properties. However, ductility has not been achieved through either of these methods. It is confirmed that the designed alloy is not suitable for applications requiring ductility. Nevertheless, it might find other applications where high hardness, compression strength, or wear resistance are needed.

Nabarmendu beharrezkoa da, garraketa eta hegazkina industriari zuzendutako materialen garapena erronka garrantzitsua dela egun. Pisua murriztea, egitura propietateak kentzea eta kostuak nabarmen handitzea garrantzitsua da, kutsaduren kontsumoa eta kasu efektu berdearen gasak murrizteko. Aluminio, magnesio, titanio eta berilio aleazioak, 1.74 eta 4.43 g/cm3 arteko densitateekin, ohiko erabiltzen diren, baina propietate mugatuak eta kostuak beren bilaketa bultzatu dute. Entropia handiko aleazioak (HEAs), konposizio konplexuak (CCAs) eta elementu anitzak (MPEAs) atentzioa jaso dute propietate bereziak uztartzen dituztenak. Hainbat konponenteen diagramen eremu erdiko esploratzean, aleazio horiek indar handiko, haustekortasun handiko, superkonduktibitatea, katalizatzaile jarduera, korrosioa eta erradiadura tolentzia eskaintzen dituzte. Kategoria berri bat, entropia handiko aleazio arinak, metal larrizko elementuak hartzen ditu pisua murrizteko eta propietate mekaniko apartak mantentzeko. Entropia handiko efektua aprobetxatuz, aleazio hauen soluzio solidoen faseak sortzeko xedea dute fase intermetaliko konplexuak baino. Ikuspegi berritzaile honek aukera berriak irekitzen ditu material aurreratuak garatzeko, batera ezarritako batzuei gainetik potentzial handia erakusten duena. Hala ere, entropia handiko aleazio arin berri hauek indar handiko konpresioa eta gogortasuna izaten dute, baina ohiz gutxi edo ez dute haustekortasuna. Horregatik, tesi honen ardatza entropia handiko kontzeptua aplikatzen aleazio arinak diseinatzen duten aldean kokatzen da, aluminiozko soluzio solido FCC handia sortzeko elementuak hautatzeko helburuarekin, hauxe izanik arazo hau arakatzeko. Gainera, aleazio horien propietate fisiko eta mekanikoak ondo ulertzeko asmoa dugu, etorkizuneko aplikazioetan duten potentziala aztertzeko. Horretarako, bateragarritasun ona, solubilitate handia eta tenperatura ertainean funtzionatzeko konposizio kimikoak definitu dira, aluminiozko soluzio solido FCC handia sortzeko. Diseinatutako aleazioan fase aldaketak aztertzeko ikerketa sakona egin da. Ikuspegi honetatik, konpresio propietateak aztertu dira eta propietate mekanikoak optimizatzeko eta hobetzeko bi teknika aplikatu dira, hauek bereziki haustekortasuna lortzeko arreta jarraituz. Lehenengo teknika gisa, konposizio kimikoak moldatu dira eta Sr eta Sb bezalako elementu moldatzaileak erabiliz, fase aldaketarako tenperatura tratamenduak erabiliz, mekaniko propietateak hobetzeko, haustekortasunari bereziki arreta jarraituz. Bigarren teknika gisa, fabrikazio metodo bi esploratu dira, Solidifikazio Zuzena (NSF) eta Solidifikazio Zuzena, eta ondoren tenperatura tratamenduak, mikro-egitura aldatzeko helburuarekin, indarraren propietateak hobetzeko eta haustekortasuna beste bide batean eskuratzea. Bi hurbilketa hauetatik lortutako emaitzak, kimiko eta prozesuari begirakoak, konpresio propietate onak erakutsi dituzte. Hala ere, haustekortasuna lortu ez da inongo bidez. Dena den, diseinatutako aleazioa ez da haustekotasun bat eskatzen duten aplikazioetarako egokia dela baieztatu da; hala ere, luzeran, gogortasun handia, konpresioaren erresistentzia edo gastuaren erresistentzia behar duten aplikazioetarako erabilgarria izan daiteke.

El desarrollo de materiales ligeros para la industria del transporte y aeroespacial representa un desafío crucial en la actualidad. Reducir el peso sin comprometer las propiedades estructurales y sin aumentar significativamente los costos es esencial para mitigar el consumo de combustible y las emisiones de gases de efecto invernadero. Aunque las aleaciones de aluminio, magnesio, titanio y berilio, con densidades entre 1.74 y 4.43 g/cm3, son comúnmente utilizadas, sus propiedades limitadas y costos han impulsado la búsqueda de nuevas aleaciones. Las aleaciones de alta entropía (HEAs), composición compleja (CCAs) y elementos múltiples (MPEAs) han ganado atención gracias a su combinación única de propiedades. Al explorar la región central de diagramas de fases de varios componentes, estas aleaciones ofrecen alta resistencia, ductilidad, superconductividad, actividad catalítica, resistencia a la corrosión y tolerancia a la radiación. Una subcategoría novedosa, las aleaciones ligeras de alta entropía, incorpora elementos metálicos ligeros para reducir el peso manteniendo propiedades mecánicas excepcionales. Aprovechando el efecto de alta entropía, estas aleaciones fomentan la formación de fases de solución sólida en lugar de fases intermetálicas complejas. Este enfoque innovador abre nuevas posibilidades para desarrollar materiales avanzados que superan a algunos establecidos, mostrando un gran potencial. Sin embargo, estas nuevas aleaciones ligeras de alta entropía poseen alta resistencia a la compresión y dureza, pero suelen tener poca o nula ductilidad. Por lo tanto, la presente tesis se centra en diseñar aleaciones ligeras aplicando el concepto de alta entropía con el objetivo de seleccionar los elementos que logren formar una aleación con una alta solución sólida FCC, una estructura cristalina conocida por su alta ductilidad, para abordar este problema. Además, se busca comprender a fondo las propiedades físicas y mecánicas de estas aleaciones para evaluar su potencial en futuras aplicaciones. Para lograr esto, se han definido composiciones químicas que aseguran buena compatibilidad, alta solubilidad y fusión a temperaturas intermedias para formar una alta solución sólida FCC. La investigación de las transformaciones de fase en la aleación diseñada proporciona un conocimiento profundo. Desde este enfoque, se evaluaron las propiedades a compresión y se aplicaron dos técnicas para optimizar y mejorar las propiedades mecánicas, centrándose especialmente en lograr ductilidad. Para la primera técnica, se ajustó la composición química y se utilizaron elementos modificadores como Sr y Sb, seguido de tratamientos térmicos para la modificación de fases, buscando mejorar las propiedades mecánicas con especial atención a la ductilidad. Para la segunda técnica, se exploraron dos métodos de fabricación, Near Solidus Forming (NSF) y Solidificación Direccional seguidos de tratamientos térmicos, con el objetivo de cambiar la microestructura y así mejorar las propiedades de resistencia y obtener ductilidad por otro camino. Los resultados obtenidos de estos dos enfoques, tanto químico como de proceso, han mostrado buenas propiedades de resistencia a la compresión. Sin embargo, no se ha logrado obtener ductilidad por ninguna de estas vías. Se confirma que la aleación diseñada no es apta para aplicaciones donde se requiera ductilidad; no obstante, podría tener otras aplicaciones donde se necesite alta dureza, resistencia a la compresión o resistencia al desgaste.