Impact of friction stir processing on mechanical, microstructural, tribological and electrochemical properties of aluminum alloys

Impact of friction stir processing on mechanical, microstructural, tribological and electrochemical properties of aluminum alloys. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Thesis.pdf
Restricted to Repository staff only until 1 October 2022.

Download (7MB)

Arabic Abstract

تم في هذا البحث استخدام تقنية التحريك الاحتكاكي وهي عملية معالجة للأسطح تتم عند درجة حرارة أقل من حرارة الذوبان. هذه العملية مستنبطة من عملية اللحام التحريكي الاحتكاكي لكن عوضا عن لحام معدنين، فإن هذه العملية تحسن خواص الاسطح عن طريق اضافة مواد أكثر قوة أو تحسين المواد عن طريق تغيير البنية المجهرية. تم إجراء هذه العملية على نوعين مختلفين من سبائك الالمونيوم، حيث كان النوع الاول هو سبيكة الالمونيوم غير المعالج حرارياً والناتج من اضافة عنصري المغنيزيوم والسيليكون كعناصر أساسية إلى الألمونيوم، اما السبيكة الثانية فهي سبيكة الألمونيوم المعالج حرارياً والناتج من اضافة عنصري النحاس والليثيوم كعناصر أساسية إلى الألمونيوم. إن الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو تقييم تأثير العوامل المتغيرة أثناء عملية التحريك الاحتكاكية على البنية المجهرية لكلا السبيكتين والخصائص الإلكترو كيميائية. تمت أيضا دراسة أثر العوامل المتغيرة على الخواص الميكانيكية والتآكل لسبيكة الالمونيوم غير المعالجة حرارياً. تم استخدام عدد من التقنيات المتقدمة لتقييم أثر عملية التحريك الاحتكاكي على سبائك الالمونيوم مثل المجهر الضوئي المتقدم والماسح الالكتروني فائق الدقة والاشعة السينية. أظهرت النتائج أن العوامل المتغيرة (السرعة الخطية والسرعة الدورانية) لها أثر إيجابي ضخم على كل الخصائص الميكانيكية والإلكترو كيميائية للمواد التي تمت دراستها. على سبيل المثال وبالنسبة لسبيكة الالمونيوم غير المعالجة حرارياً، اثبتت الدراسة أن الخصائص الميكانيكية بلغت أوجها عند أدني سرعة دورانية وعند تثبيت السرعة الخطية. أما عند تثبيت الدورانية الخطية، فإن أفضل خصائص ميكانيكية تم التوصل إليها كانت عند أدنى سرعة خطية. بالنسبة للخصائص الإلكترو كيميائية فقد كانت على العكس تماماً مقارنة بالخواص الميكانيكية أي أن أفضل خواص مقاومة للصدأ كانت عند اقصى سرعتين دورانية وخطيه عند تثبيت السرعتين الخطية والدورانية. أظهرت النتائج عدم جدوى التقنية الاحتكاكية لتحسين خواص التآكل. أما بالنسبة لسبيكة الالمونيوم المعالجة حراريا، أظهرت النتائج أن التحسن في الخصائص الإلكترو كيميائية كان على نفس نهج السبيكة غير المعالجة حرارياً.

English Abstract

Friction stir processing (FSP) is a solid-state technique developed on the same principle of friction stir welding (FSW). However, rather than joining sheets or plates, FSP is employed to modify the surface/bulk microstructure and/or development of surface metal composite. Herein, FSP was carried out on Al-Mg-Si and Al-Cu-Li Alloys to improve the surface microstructure without adding reinforcement particles. The impact of various process conditions; i.e. traveling speed (ranging from 50 mm/min to 250 mm/min) and rotational speed (ranging from 400 rpm to 1200 rpm), on the microstructure, mechanical properties, wear characteristics, and corrosion behavior were studied in detail. Several characterization techniques such as scanning electron microscope (SEM), advanced optical microscope (OM) and X-Ray diffraction (XRD) were employed in the present study. Microstructural observation revealed a remarkable diminishing in grain size after employing FSP for both alloys. Moreover, higher tool traveling speed resulted in an appreciable reduction in the grain size and that was ascribed to the reduction in heat input, while increasing the tool rotational speed caused noticeable grain coarsening for the same mentioned reason. Superior microhardness was obtained for all Al-Mg-Si alloys processed samples under different process conditions where the sample processed at the lowest traveling speed showed an improved microhardness by approximately 100%. Wear resistance was found to be reduced marginally for the most of processed samples with no remarkable change in wear mechanism despite the marked enhancement in microhardness. Several electrochemical tests were carried out to evaluate the influence of surface processing on the corrosion behavior such as electrochemical impedance spectroscopy (EIS), linear polarization resistance (LPR) and potentioynamic polarization (PDP). In case of Al-Mg-Si alloy (6061 AA), all results obtained from various electrochemical techniques were found to be in a good agreement, where the base sample demonstrated the poorest corrosion resistance. Besides, increasing the tool traveling speeds resulted in a remarkable improvement in corrosion resistance where the sample processed at the highest traveling speed showed a reduction in the corrosion current density (Icorr) by approximately 600 times when compared with the base sample. On the other hand, increasing the tool rotational speed has improved the corrosion resistance markedly where the sample processed at the highest rotational speed revealed a decline in the corrosion current density by about 55 times. For Al-Cu-Li alloy (2099 T-83), the non-destructive electrochemical examinations i.e. EIS and LPR were not in full agreement with PDP results. Both EIS and LPR results revealed appreciable enhancement in corrosion resistance where all processed samples showed a significant improvement in corrosion resistance by either increasing the tool traveling speed or the tool rotation speed.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Chemical Engineering
Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Al-Badour, Fadi
Committee Members: Sulieman, Rami and Merah, Necar
Depositing User: IBRAHIM ZAINELABDEEN (g201705370)
Date Deposited: 01 Oct 2020 07:18
Last Modified: 01 Oct 2020 07:18
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141722