Optimization of Mechanical and Electrical Properties in Age-Hardened Aluminum Alloy through HPTE Processing

Aluminum alloys are commonly used due to their versatility and tunability of properties through addition of solutes and heat treatments. This study focuses on age-hardenable Al-Mg-Si alloys, which are lightweight and extensively used in the electrical industry. Precipitate hardening is the way to improve strength in this alloy system, where the size of precipitates depends on temperature and aging time. However, the presence of solute atoms is problematic as it degrades electrical conductivity (EC) by reducing the mean free path of conducting electrons. This inherent trade-off between strength and electrical conductivity presents significant challenges for industrial applications, where both properties are crucial for optimal overall performance.
This bottleneck serves as the primary motivation for this study, focusing on simultaneous improvement of strength and EC. In this study, we introduce an approach that combines severe plastic deformation with subsequent heat treatment to optimize both strength and conductivity. Despite the proven efficacy of severe plastic deformation in strengthening materials, previous studies in this direction have predominantly operated in a limited scope of laboratory scale. Our research aims to bridge this gap by exploring the application of high-pressure torsion extrusion (HPTE) as a viable method for implementing these techniques at a larger scale. Mechanical properties were evaluated by microhardness and tensile testing. The results showed a remarkable improvement in strength while EC remained unchanged. Furthermore, modeling of strength and EC, based on microstructural characterization, revealed good agreement with experimental values. The second objective is to conduct an atomic-level investigation of the precipitates formed under conditions of extreme deformation and subsequent annealing. Advanced microscopy and EDX microanalysis demonstrated that the material processing led to the development of various hardening phases with distinct morphologies and compositions. The high density of defects induced by HPTE deformation resulted in a predominantly disordered structure for most particles. The particles exhibit a set of orientation relations with the Al matrix, which differ from those established for the studied alloy. Furthermore, a considerable number of nanometer-sized precipitates exhibit a core-shell structure or evidence of simultaneous co-precipitation of several secondary phase particles. These observations lead to the conclusion that nucleation and growth of hardening precipitates occur in non-equilibrium conditions.

Aluminiumlegierungen werden aufgrund ihrer Vielseitigkeit und der Möglichkeit, ihre Eigenschaften durch Zugabe von Legierungselementen und Wärmebehandlungen gezielt einzustellen, häufig verwendet. Diese Studie konzentriert sich auf ausscheidungshärtbare Al-Mg-Si-Legierungen, die leicht sind und weit verbreitet in der Elektroindustrie zum Einsatz kommen. Die Festigkeitssteigerung in diesem Legierungssystem erfolgt durch Ausscheidungshärtung, wobei die Größe der Ausscheidungen von Temperatur und Alterungszeit abhängt.

Die Anwesenheit von gelösten Atomen stellt jedoch ein Problem dar, da sie die elektrische Leitfähigkeit (EL) verschlechtert, indem sie die mittlere freie Weglänge der leitenden Elektronen verringert. Dieser grundsätzliche Zielkonflikt zwischen Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit stellt eine erhebliche Herausforderung für industrielle Anwendungen dar, bei denen beide Eigenschaften für eine optimale Gesamtleistung entscheidend sind.

Dieser Engpass bildet die Hauptmotivation für die vorliegende Studie, die sich auf die gleichzeitige Verbesserung von Festigkeit und EL konzentriert. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, der eine starke plastische Verformung mit anschließender Wärmebehandlung kombiniert, um sowohl die Festigkeit als auch die Leitfähigkeit zu optimieren. Obwohl die Wirksamkeit der starken plastischen Verformung zur Festigkeitssteigerung von Materialien erwiesen ist, beschränkten sich frühere Studien in diesem Bereich meist auf den Labormaßstab. Unsere Forschung zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem die Anwendung der Hochdruck-Torsionsextrusion (HPTE) als praktikable Methode zur Umsetzung dieser Techniken im größeren Maßstab untersucht wird.

Die mechanischen Eigenschaften wurden durch Mikrohärte- und Zugversuche bewertet. Die Ergebnisse zeigten eine bemerkenswerte Festigkeitssteigerung, während die EL unverändert blieb. Darüber hinaus zeigte die Modellierung von Festigkeit und EL auf Basis mikrostruktureller Charakterisierung eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten.

Das zweite Ziel besteht in der atomaren Untersuchung der unter extremen Verformungs- und anschließenden Glühbedingungen gebildeten Ausscheidungen. Fortschrittliche Mikroskopie- und EDX-Mikroanalysen zeigten, dass die Materialbearbeitung zur Bildung verschiedener härtender Phasen mit unterschiedlichen Morphologien und Zusammensetzungen führte. Die hohe Defektdichte, die durch die HPTE-Verformung induziert wurde, resultierte in einer überwiegend ungeordneten Struktur der meisten Partikel. Die Partikel zeigen eine Reihe von Orientierungsbeziehungen zur Aluminium-Matrix, die sich von den für die untersuchte Legierung bekannten unterscheiden.

Zudem weisen zahlreiche Ausscheidungen im Nanometerbereich eine Kern-Schale-Struktur auf oder zeigen Hinweise auf gleichzeitige Ko-Ausscheidung mehrerer sekundärer Phasen. Diese Beobachtungen führen zu dem Schluss, dass die Keimbildung und das Wachstum der härtenden Ausscheidungen unter nichtgleichgewichtsbedingungen erfolgen.