Development of the Stationary Shoulder Friction Stir Channelling process on Die Cast Aluminium Alloy 383 for Thermal Management Applications

Abstract

Friction Stir Channelling is an innovative solid-state manufacturing technique to produce sub-surface channels in monolithic plates in a single step. A new Stationary Shoulder variant of this process, known as CoreFlow™, introduces a new method for material extraction. In this approach, the channels are produced by continuously extracting viscoplastic material from the stirred zone into an extruded wire. This dissertation aims to demonstrate the feasibility of Stationary Shoulder Friction Stir Channelling in producing continuous and integral channels in die cast aluminium alloy 383 (AA383) 12 mm-thick plates. Four different tool geometries and a wide range of process parameters were tested to evaluate the channel formation and the impact of process parameters and geometric features of the tool probe. The produced channels were characterised via non-destructive and destructive test- ing. Non-destructive testing included visual inspection, radiography, X-ray computed tomography, flow rate, and leak testing. Destructive testing consisted of cross-sectional metallography, electron backscatter diffraction, Vickers hardness testing, burst testing, and roughness measurements of the channel floor and ceiling. For the tool with the widest process parameter window, the best performing processing condition was achieved at a tool travel speed of 50 mm/min and a tool rotation speed of 1200 rev/min. Curvilinear channel paths were also performed with the most promising parameter combination to assess channel consistency and stability. Experimental results demonstrated the influence of process parameters on channel geometry. The present study has validated the feasibility of Stationary Shoulder Friction Stir Channelling for producing integral internal channels on die cast AA383.

Friction Stir Channelling é uma tecnologia inovadora de processamento no estado sólido para a produção de canais subsuperficiais em componentes monolíticos com uma única passagem da ferramenta. Uma nova variante deste processo, designada por CoreFlow™, introduz uma nova abordagem para o método de extração de material ao utilizar um shoulder estacionário. Nesta variante, os canais são produzidos pela extração contínua de material no estado viscoplástico na forma de fio extrudido. Esta dissertação tem como objetivo demonstrar a viabilidade do processo Stationary Shoulder Friction Stir Channelling na produção de canais internos e contínuos em placas da liga de alumínio vazado 383, com 12 mm de espessura. Foram testadas quatro geometrias diferentes do pino da ferramenta e uma ampla janela de parâmetros do processo, de forma a avaliar o impacto dos parâmetros e das características geométricas do pino da ferramenta na geometria do canal. Os canais produzidos foram caraterizados por ensaios destrutivos e não destrutivos. Os ensaios não destrutivos incluíram inspeção visual, radiografia, tomografia computori- zada por raios-X, medições de caudal e ensaios de estanquidade. Os ensaios destrutivos consistiram em metalografia da secção transversal, electron backscatter diffraction, análise de microdureza, correntes induzidas, ensaios de pressão até rotura e, por fim, medições de rugosidade da parede superior e inferior do canal. Para a ferramenta com a janela de parâmetros mais ampla, a melhor condição de processamento foi obtida com uma velocidade de avanço de 50 mm/min e uma velocidade de rotação de 1200 rev/min. Adici- onalmente, foram produzidos canais com trajetórias curvilíneas com a melhor combinação de parâmetros para avaliar a estabilidade do processo. Os resultados experimentais demonstraram a influência dos parâmetros do processo na geometria dos canais produzidos por fricção linear. Esta dissertação validou a possibi- lidade de produzir canais internos em placas da liga de alumínio vazado 383.