Effects of rapid solidification and Ce on the microstructure of Al–40Si

ABSTRACT

This work explores the use of Ce and rapid solidification to attain primary Si modification in a hypereutectic Al-40wt-%Si alloy. Al–40Si and Al–40Si–1.5Ce powders were produced by Impulse Atomization. The resulting powders having increasing liquid cooling rate from ∼10³ to ∼10⁵ K/s were studied to determine the effect of Ce on the microstructure. The microstructures of both alloys contained an Al-rich halo (α-Al) which is not part of Gulliver-Scheil solidification paths. The presence of this structure suggests solidification of both alloys deviated from local equilibrium. In both alloys, increasing cooling rate was associated with the formation of less elongated primary Si presenting a more rounded surface. Additionally, alloying with Ce improved the distribution of primary Si in the microstructures of the smallest powders. Quantitatively, the microstructures of both alloys were found to increase in primary Si and halo (α-Al) content as cooling rate increases. The use of Ce also led to a measurable decrease in eutectic content in Al–40Si–1.5Ce with respect to the unmodified alloy. Similarly, primary Si and halo (α-Al) vol.-% also appear to increase as a result of Ce addition.

Ce travail explore l’utilisation du Ce et de la solidification rapide pour atteindre une modification primaire du Si dans un alliage hypereutectique Al-40% en poids de Si. On a produit les poudres Al–40Si et Al–40Si–1.5Ce par atomisation par impulsion. On a étudié les poudres résultantes ayant une vitesse de refroidissement liquide croissante de ∼ 10³ à ∼10⁵ K/s afin de déterminer l’effet du Ce sur la microstructure. La microstructure des deux alliages contenait un halo riche en Al (Al-α) qui ne fait pas partie des voies de solidification de Gulliver-Scheil. La présence de cette structure suggère que la solidification des deux alliages déviait de l’équilibre local. Dans les deux alliages, l’augmentation de la vitesse de refroidissement était associée à la formation de Si primaire moins allongé présentant une surface plus arrondie. De plus, l’alliage avec Ce a amélioré la répartition du Si primaire dans la microstructure des poudres plus petites. Quantitativement, on a constaté que la teneur en Si primaire et en halo (Al-α) dans la microstructure des deux alliages augmentait à mesure que la vitesse de refroidissement augmentait. L’utilisation de Ce a également amené une diminution mesurable de la teneur en eutectique dans l’Al-40Si–1.5Ce par rapport à l’alliage non modifié. De la même manière, le pourcentage en volume de Si primaire et de halo (Al-α) semble également augmenter en raison de l’ajout de Ce.

KEYWORDS:

• Alumimun alloys
• rare earth elements
• Al-Si-Ce
• rapid solidification
• impulse atomization
• Si morphology

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Additional information

Funding

The authors gratefully acknowledge the financial support provided by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (Network for Holistic Innovation in Additive Manufacturing (HI-AM)).