Modelling towards Value-added Recycling Friendly Aluminium Alloys

I samarbeid med to industrielle partnere, Hydro Aluminium og Sapa Techonology (nå Graenges AB), har SINTEF og NTNU utført et 5 års KPN prosjekt, kalt «Modelling towards value-added recycling friendly aluminium alloys (MOREAL)». Hovedmålsettingen med MOREALoreAl-prosjektet har vært er å bidra til å løse disse utfordringene knyttet til resirkulerte aluminiumslegeringer, ved bedre å forstå og kunne kvantifisere påvirkning av ulike legeringselementer på mikrostruktur, bearbeidingsegenskaper og mekaniske egenskaper i slike legeringer. Hovedfokus har vært på legeringer som inneholder Mn, Fe og Si, alle typiske elementer som akkumuleres ved gjentatt resirkulering. Numeriske modeller har blitt utviklet som kan forutsi påvirkningen av variasjon i kjemiske sammensetning, og det økte nivå av urenheter, på mikrostruktur og egenskaper. Ved å benytte resultater og prediksjoner basert på slike modeller, kan de industrielle partnerne i prosjektet utvikle nye skreddersydde legeringer og prosesserings ruter med lavere kostnader og med kortere utviklingstid. Etter 5 års forskning har alle målsettingene og milepælene i hovedsak blitt oppnådd. En grundig forståelse om påvirkningen av forskjellige legeringselementer på størkningsstrukturen, utviklingen av kjemi og faseovergangene under varmebehandling, deformasjonsevnen og de mekaniske egenskapene til det endelige produktet har blitt etablert. Tre matematisk simuleringsmodeller har blitt utviklet, noe som kan forutsi utviklingen av mikrostruktur, kjemi og deformasjonens oppførsel gjennom forskjellige termomekaniske prosesser. Nye eksperimentelle teknikker og modelleringsmetoder har blitt etablert og testet ut i prosjektet, for eksempel 3D-tomografiteknologien i transmisjons elektron mikroskopi og flerede atomære skala modelleringsteknikkenre. Prosjektarbeidet har så langt resultert i 29 artikler i fagfellevurderte internasjonale tidsskrifter, fem doktorgradsavhandlinger (tre i MOREAL, to i tilknyttede prosjekter), 41 muntlige innlegg og plakat- presentasjoner ved internasjonale konferanser og seminarer, en populærvitenskapelig artikkel og 60 muntlige presentasjoner i prosjekt møter. Ytterligere En annen 5-10 artikler basert på resultater fra arbeidet til med ph.d.-kandidater, postdoktorer og forskere, er under forberedelse eller planlagt for publisering i internasjonale tidsskrifter i løpet av 2015. Prosjektet har totalt også utdannet fem ph.d.-kandidater og to postdoktorer, hvorav og tre av dem har har blitt vært ansatt av de to industrielle partnerne. I prosjektperiodende har interne FoU-aktiviteter blitt gjennomført i de to selskapene i parallell til prosjektet. Begge de industrielle partnerne er godt fornøyd med resultatene fra prosjektet. Hydro benytter resultatene fra prosjektet i design av nye legeringer for ulike applikasjoner som drikkevarebokser, varmeveksleren / air-condition systemer, litografiske plater, folie osv. Hydro tar bruk av modeller utviklet i prosjektet , på en daglig basis for å optimalisere interne prosesser samt i diskusjoner / samarbeid med kunder i ulike markedsområder. Granges har også begynt å bruke den kompetansen som er utviklet i prosjektet for å optimalisere sine varmebehandlingsprosesser, måle partikkelstørrelse og fordeling og for å kontrollere teksturer i produktene sine.

The long term vision of the Norwegian aluminium industry is to be world leading with respect to sustainability and competitiveness. However, the fast growing energy cost and increasingly strict environmental regulations have gradually driven the primary a luminium production out of Europe. The European aluminium industry is also facing a strong competition from the emerging economies. In order to meet these challenges and realise a sustainable development, Norwegian aluminium industry must provide the best quality products at a competitive price of both primary-based and recycle-based aluminium. An increased use of recycled aluminium requires the development of new tailor made alloys and an optimisation of the thermo mechanical processing routes so that t o handle the corresponding changes and variations of chemical compositions (alloying elements and impurities). However, to meet this challenge, the traditional plant trials are both costly and time-consuming. To survive these critical circumstances requir es the activation of long term and more fundamental academic science support for significantly better and more intelligent alloy design and material processing strategies. Advanced mathematical modelling tools, as a complementation to traditional experime ntal research, are believed to be a powerful tool to meet the challenges. The objective of the present project is to develop state-of-the-art, physically based numerical through process models to predict the microstructure evolution during homogenisation, deformation, and softening (recovery and recrystallization) as well as the mechanical properties of the semi products of primary and recycle-based aluminium alloys. The model development will be based on a comprehensive and detailed experimental characte rization of the roles of alloying elements and impurities in various processing steps and their specific influences on the properties during processing and in the semi-finished state.