SumAl: Solute cluster manipulation for optimized properties in Al-Mg-Si based Al alloys

Kontinuerlig vektreduksjon er en nøkkel til utviklingen av en bærekraftig og grønnere transportsektor. Dette representerer en betydelig mulighet for norsk aluminiumsindustri. Markedsvekst og økt lønnsomhet av lette Al-løsninger kan realiseres ved ytterligere forbedring av produktegenskaper. Presipitering er den viktigste metoden Al-industrien har for å forbedre ytelsen til både AA6xxx knalegeringer og A3xx støpelegeringer. Imidlertid er Al-industrien fortsatt ikke i stand til å kontrollere og manipulere kimdanning og vekst av herdende utfellinger. I det 5-årige KPN-prosjektet SumAl vil NTNU og SINTEF sammen med sentrale aktører i norsk og europeisk Al-industri forsøke å endre dette ved å etablere detaljert atomistisk innsikt i tidlig stadium i utfellingsprosessen. Prosjektet vil gjennom en kombinasjon av eksperimenter og modellering utvikle grunnleggende forståelse av tidlig klustring og ordning av oppløste legeringselement-atomer i aluminium og hvordan disse strukturene er relatert til utvikling av herdende presipitater og materialegenskaper. før aldring. Et vellykket resultat av SumAl vil gi norsk Al-industri verktøyene som trengs for å utvikle og designe innovative Al-baserte produkter som er konkurransedyktige og har en utmerket balanse av egenskaper. Det er ansatt to PhD.-studenter og en postdoktor ved NTNU, som har hovedaktiviteter innen henholdsvis transmisjonselektronmikroskopi (TEM), atomprobetomografi (APT) og atomistisk modellering. Her bruker vi de nasjonale infrastrukturene NORTEM, MiMAC og SIGMA2. Prosjektet består av tre arbeidspakker, (1) for å etablere grunnleggende relasjoner mellom termomekanisk behandling før utherding og utvikling av atomære klustre fra en overmettet fast løsning, (2) for å etablere kunnskap om hvordan atomære klustere utvikler seg til alder. herding utfelles under påfølgende kunstig aldring, og ut fra disse (3) etablerer sammenhenger mellom termomekanisk behandling, mikrostrukturutvikling og mekaniske egenskaper. Prosjektet har så langt utdannet to MSc-studenter og en til er i gang. Vi samarbeider også tett med andre internt finansierte PhD-studenter ved NTNU. På grunn av korona-pandemien har det vært en litt treg start for stipendiatene, men aktivitetene har nå startet. Vi studerer legeringer som har vært lagret i svært lang tid (17 år) i romtemperatur og har fått flere typer aluminiumslegeringer fra industrielle partnere som vi varmebehandler og analyserer. Vi bygger videre på TEM og kombinerer dette med APT-studier. Her har vi etablert metoder for å studere strukturen til klustere på et tidlig stadium. Dette ble gjort med GP1-fasen i AlMgZn (7xxx) legeringer for å etablere metoden, og vi konsentrerer oss nå om AlMgSi (6xxx) legeringer som er mer utfordrende. På modelleringssiden har vi videreutviklet den kinematiske Monte-Carlo (KMC) metoden og jobber nå med klustermodeller.

Continued weight reductions remain a key to the development of a sustainable and greener transportation sector. This represents a significant opportunity for Norwegian companies in the Aluminium (Al) value chain. Market growth and increased profitability of lightweight Al-solutions can be expected by further improving product properties. Precipitation hardening is the most important strategy for Al industry to improve performance of both AA6xxx wrought alloys and A3xx foundry alloys. However, the Al industry is still unable to control and manipulate nucleation and growth of hardening precipitates. A recent scientific break-through by NTNU and SINTEF now opens perspectives to change this, by establishing detailed insights in the early-stage microstructure prior to aging. Building on recent results obtained on atomistic scale through the national infrastructure NORTEM, NTNU and SINTEF have together with key actors in the Norwegian and European Al industry defined this 5-year KPN project SumAl. The project will through a combination of experiments and modelling, develop fundamental understanding of early stage clustering and ordering of solute atoms in aluminium and how these structures relate to the development of hardening precipitates and materials properties. A successful outcome of SumAl will give Norwegian Al actors the tools to develop and design innovative Al-based products with a competitive and superior balance of properties.