Aluminum alloys of the ANSI series 319 present Si and Cu as the main alloying elements and the mechanical strength of these alloys can be improved by the precipitation of the metastable Al2Cu phase during the ageing heat treatment. In this paper, the Al-5.5wt.%Si-3wt.%Cu alloy was elaborated and solidified in a water-cooled horizontal directional solidification device. The as-cast ingot was subjected to the precipitation hardening heat treatment (T6 heat treatment), which consisted of: solution for 5 h at 490°C±2°C, followed by quenching in water at 60°C±2°C and ageing for 3 h at 155°C±2°C, and cooling-air. Secondary dendrite arm spacing (λ2) measurements were carried out before and after T6 heat treatment. The mechanical strength of the alloy was investigated by the microhardness test. It has been found that the heat treatment did not influence the λ2 values, however, highest HV values have been observed for the heat-treated samples.

RESUMO Diversas aplicações industriais, tais como nos setores automotivo e aeronáutico, que necessitam de resistência e tenacidade, utilizam ligas do sistema Al-Cu. As ligas do sistema ternário Al-Cu-Ag são empregadas como modelo para o estudo de ligas eutéticas ternárias, além do uso em certo número de aplicações técnicas. Estudos relacionados aos efeitos da adição de Ag em ligas do sistema Al-Cu solidificadas em regime transitório, sob aspectos microestruturais e de microdureza, não são encontrados na literatura. Nesse sentido, o objetivo principal deste trabalho consiste na investigação dos efeitos da adição de 4%Ag na liga Al-4%Cu solidificada unidirecionalmente no sentido vertical ascendente em regime transitório, abordando análises de microestrutura, microdureza e parâmetros de solidificação dados pela velocidade de crescimento (VL) e pela taxa de resfriamento (Ṫ). São apresentadas leis experimentais para as ligas Al-4%Cu e Al-4%Cu-4%Ag que correlacionam os espaçamentos dendríticos primário (λ1) e secundário (λ2) com VL e Ṫ. Foram realizadas análises de Difração de Raios-X (DRX) para a caraterização das fases cristalinas dos compostos presentes na microestrutura das ligas. O difratograma da liga binária mostrou a presença dos intermetálicos θ-Al2Cu, Al-Cu, Al4Cu9 e Al6Fe e, para o caso da liga ternária, adicionalmente foi detectado o intermetálico µ-Ag3Al. Composições químicas de regiões do contorno da dendrita, assim como de seu interior, foram obtidas com o auxílio de um microscópio eletrônico de varredura (MEV) acoplado a um sistema de análise por energia dispersiva (EDS). Diversas posições ao longo do lingote foram analisadas através da técnica de Fluorescência de Raios-X (FRX) com objetivo de se detectar a existência de macrossegregação. Constatou-se que a microdureza não é influenciada pelas duas formas de espaçamentos da matriz rica em Al. Os intermetálicos ρ-Ag2Al e µ-Ag3Al são responsáveis pelo aumento de dureza devido a sua interação com o espaçamento dendrítico terciário e outros intermetálicos.

ABSTRACT Al-Cu alloys are used in several industrial applications, such as automotive and aerospace manufacturing, which demand mechanical strength and toughness performances. The Al-Cu-Ag ternary alloy system has been investigated to obtain a better understanding on ternary eutectic alloys besides its inherent applications. However, studies concerning the effects on microstructure and hardness due to Ag addition on Al-Cu alloys solidified under transient conditions, are not found in literature. In this sense, the main objective of this work consists in investigating the solidification parameters such as growth (VL) and cooling (Ṫ) rate, microstructure and microhardness regarding the effects of adding 4wt% Ag on a Al-4wt%Cu alloy unidirectionally solidified vertically upwards under unsteady-state solidification conditions. Experimental growth laws correlating the primary (λ1) and secondary (λ2) dendritic spacings with growth and cooling rate are proposed for Al-4wt%Cu and Al-4wt%Cu-4wt%Ag alloys. X-Ray Diffraction (XRD) analyses were performed in order to determine the crystalline phases of the compounds present in the alloys microstructure. The diffractogram of the binary alloy showed the presence of θ-Al2Cu, Al-Cu, Al4Cu9 and Al6Fe intermetallics and, for the case of the ternary alloy, the µ-Ag3Al intermetallic was detected. Chemical compositions at the boundary regions of the dendrite as also inside the dendrite were obtained using scanning electron microscope (SEM) connected to an Energy-Dispersive Spectrometer (EDS) system. Several positions along the ingot were analyzed through the X-Ray Fluorescence (XRF) technique permitting the detection of macrosegregation occurrence. It is shown that the microhardness is not influenced by both spacing patterns of the Al-rich matrix. The ρ-Ag2Al and µ-Ag3Al intermetallics are responsible for the increase in hardness due to the interaction with ternary dendrite arm spacing and other intermetallics.

A liga Al-6%Cu foi solidificada direcionalmente sob condições transitórias de extração de calor e microestruturas dendríticas, variáveis térmicas de solidificação, ou seja, velocidade de deslocamento da isoterma líquidus (VL), taxa de resfriamento (TR) e gradiente de temperatura à frente da isoterma liquidus (GL) foram caracterizadas, determinadas experimentalmente e correlacionadas com os espaçamentos dentríticos terciários (λ3). Para tanto, foi projetado, construído e aferido um dispositivo de solidificação direcional horizontal. Os resultados encontrados mostram que leis de potência -1,1 e -0,55 caracterizam a variação dos espaçamentos terciários com a velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (VL) e a taxa de resfriamento (TR), respectivamente. Finalmente, é realizado um estudo comparativo entre os resultados obtidos neste trabalho e aqueles publicados na literatura para ligas Al-Cu solidificadas direcionalmente sob condições transientes de fluxo de calor nos sistemas verticais ascendente e descendente.

The Al-6wt%Cu alloy was directionally solidified and dendritic microstructure, solidification thermal variables, i.e., tip growth rate (VL), cooling rate (TR) and temperature gradient ahead of liquidus isotherm (GL) were characterized and correlated with tertiary dendritic spacings ((λ3) determined experimentally. For this purpose, a horizontal solidification experimental apparatus was developed and specimens were solidified under unsteady state heat flow conditions. It was observed that power laws -1.1 and -0.55 characterize the tertiary spacing variations with tip growth rate (VL) and cooling rate (TR), respectively. Comparisons with other studies published in the literature for Al-Cu alloys solidified in upward and downward vertical directional conditions were performed.

O principal objetivo desse trabalho é investigar a influência dos parâmetros térmicos velocidade de solidificação (V L) e taxa de resfriamento (T R), nos espaçamentos dendríticos primários (λ1) da liga hipoeutética Al-7%Si, durante a solidificação direcional horizontal, em regime transiente. Os valores de λ1 foram medidos ao longo do comprimento do lingote e correlacionados com esses parâmetros. A variação dos espaçamentos dendríticos estudados é expressa por meio de funções na forma de potência de V Le T Rdadas, respectivamente, por λ1= 55(V L)-1.1e λ1= 212 (T R)-0.55. Um estudo comparativo é realizado entre os resultados encontrados nesse trabalho e aqueles obtidos para a mesma liga quando solidificada direcionalmente nos sistemas verticais ascendente e descendente, sob as mesmas condições assumidas. Finalmente, os resultados experimentais obtidos são comparados com valores fornecidos por alguns modelos teóricos propostos na literatura para analisar espaçamentos dendríticos primários.

The main purpose of this work is to investigate the influence of thermal parameters such as growth rate (V L) and cooling rate (T R) on the primary dendrite arm spacings (λ1) during the horizontal transient directional solidification of Al-7wt.%Si hypoeutectic alloy. The primary dendrite spacings were measured along the length of the samples and correlated with these thermal parameters. The variation of dendrite spacings is expressed as a power law function of V L and T R given by the formulas λ1 = 55(V L)-1.1 and λ1 = 212 (T R)-0.55, respectively. A comparative study between the results of this work and those from the literature proposed to investigate these dendrite spacings during the upward and downward vertical directional solidification of Al-7wt.%Si alloy is also conducted. Finally, the experimental data are compared with some predictive dendritic models from the literature.