Evaluation of spark plasma sintering and forging of aluminum based powders for near-net shapes

Al powder metallurgy (P/M) offers several advantages over traditional manufacturing methods, such as near-net-shape production and eliminating or reducing material waste. However, the native oxide layer of Al prevents the sintering of Al particles and must be eliminated, but the stable character makes physical means of reducing the layer ineffective. Some strategies to disrupt the oxide layer are liquid phase sintering or forging of sintered compact. Forging is more attractive in terms of near-net-shape processing, as heterogeneous shrinkage that can arise during liquid phase sintering can lead to dimensional inaccuracies. Another alternative, spark plasma sintering (SPS), is a pressure and electrical current-assisted sintering process and considered as an effective way to reduce the oxide layer problem because of its ability to breakdown the oxide layer and clean particle surfaces which can eliminate the need for a forging step.SPS of inert gas atomized pure Al powder was investigated by monitoring electrical resistance curves of the process under different pressures. Resistance curves showed an enhanced descent in resistance after 200 °C. This decrease is more pronounced with an increase in loading pressure. The hardness ratio of alumina to Al increases with increasing temperature, becoming more pronounced after 200 °C, and softening of the Al leads to the easier breakdown of the surface oxide. Three-point bending tests and fracture surface analyses of the samples were correlated with the resistance curves. Samples with more enhanced descent in resistance results in fracture surfaces showing more dimples which is an indication of metal to metal contact. Alumix 431D powder, the P/M version of Al alloy 7075, was sintered by SPS and upset forging by SPS was applied to the sintered sample to eliminate the particle bonding problem encountered in this alloy after sintering. Significant improvement in the flexural strength and strain were observed after the SPS forging process and the fracture surface analysis indicates better particle bonding compared to the as-sintered sample. The ductility of both samples was significantly reduced after the T6 temper. To further isolate the source of the bonding issue with this alloy, the Alumix 431D powder was modified by replacing the native air atomized pure Al particles with gas atomized pure Al. SPS of this modified Alumix 431D powder, followed by a three-point bending test and fracture surface analysis shows that the particle bonding problem continued after this modification. Application of the SPS forging on the sintered samples improved particle bonding, leading to the conclusion that the particle bonding problem is not coming from the air-atomized pure Al originally present in the powder mixture, but that it is the composite type surface oxide of Alumix 431D that requires a secondary process such as forging. The tool stresses during the isothermal SPS forging of a modified Alumix 431D compact into near-net shapes were analyzed for different punch geometries of axisymmetric shapes using finite element analysis (FEA) simulations. Results reveal that graphite, the most commonly used tool material for SPS, is insufficient for use during isothermal SPS forging of an Al-Zn-Mg-Cu alloy sintered compact into certain geometries due to the formation of stresses that reach the critical value for compression or tensile strength. Overall, SPS is an effective process to obtain good particle bonding for the sintered compacts of inert gas atomized pure Al powder, whereas the additional step of forging is required when using Alumix 431D powder. Additionally, it is necessary to be aware of the limitations of graphite as a tool material during the forging of sintered Alumix 431D compacts into near-net shapes.La métallurgie des poudres (MP) d'Al offre plusieurs avantages par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles, tels que la production de pièces en forme quasi-finale et l'élimination ou la réduction des rebuts. Cependant, la couche d'oxyde natif de l'Al empêche le frittage des particules, et doit être éliminée, mais sa stabilité rend les moyens physiques de réduction de la couche inefficaces. Les stratégies permettant de rompre la couche d'oxyde sont le frittage à phase liquide (FPL) ou le forgeage d'un compact fritté. Pour les pièces en forme quasi-finale, le traitement de forgeage est plus intéressant car le rétrécissement hétérogène ayant lieu lors du FPL peut conduire à une perte de précision dimensionnelle. Une alternative, le frittage par décharge plasma (FDP), est un procédé de frittage combinant pression et courant électrique pour rompre la couche d'oxyde et purifier la surface des particules, ce qui élimine le besoin d'une étape de forgeage. Le FDP de poudres d'Al pur atomisée par gaz inerte a été étudiée en mesurant les courbes de résistance électrique du procède sous différentes pressions. Les courbes de résistance ont montré une chute prononcée de la résistance après 200°C. Cette diminution augmente avec la pression. Le rapport de dureté Al2O3-Al augmente avec la température, devenant plus prononcé au-delà de 200°C, et l'adoucissement de l'Al conduit à une rupture plus facile de l'oxyde de surface. Les essais de flexion à trois points et les analyses de surface de rupture des échantillons ont été corrélés avec les courbes de résistance obtenues. Les échantillons subissant une plus grande perte de résistance présentent des surfaces de fracture avec plus de cupules, ce qui indique l'existence de liaison métallurgique. La poudre Alumix 431D, la version MP de l'alliage d'Al 7075, a été frittée par FDP et un forgeage par FDP a été appliqué à l'échantillon fritté pour éliminer le problème de liaison interparticulaire rencontré après frittage de cet alliage. Une amélioration significative de la résistance et de la déformation en flexion a été observée après forgeage FDP et l'analyse de la surface de fracture indique une meilleure liaison des particules par rapport à l'échantillon uniquement fritté. La ductilité des deux échantillons était significativement réduite après un traitement T6. Afin d'isoler davantage la source du problème de liaison avec cet alliage, la poudre d'Alumix 431D a été modifiée en remplaçant les particules d'Al pur atomisées à l'air par de l'Al pur atomisé au gaz. Le FDP de cette poudre modifiée d'Alumix 431D, suivi d'un test de flexion à trois points et d'une analyse de surface de rupture, montre que le problème de liaison des particules s'est poursuivi après cette modification. L'application du forgeage FDP sur les échantillons frittés a amélioré la liaison interparticulaire, menant ainsi à la conclusion que le problème de liaison ne provient pas de l'Al pur atomisé à l'air présent initialement dans le mélange de poudre, mais bien de l'oxyde de surface composite d'Alumix 431D qui nécessite un processus secondaire tel que le forgeage. Les contraintes exercées par les poinçons lors du forgeage isotherme par FDP d'un compact Alumix 431D modifié en forme quasi-finale ont été analysées pour différentes géométries de poinçons de formes axisymétriques à l'aide de simulations d'éléments finis (EF). Les résultats révèlent que le graphite, le matériau d'outil le plus couramment utilisé, est insuffisant pour le forgeage de comprimé fritté d'Al-Zn-Mg-Cu sous certaines géométries en raison de contraintes atteignant les valeurs critiques de résistance du graphite. Au final, le FDP est un procédé efficace pour former des liaisons interparticulaires pour les comprimés frittés de poudre d'Al pur atomisée par gaz inerte, tandis qu'une étape de forgeage est nécessaire avec la poudre d'Alumix 431D