Solid-state Recycling of Aerospace Aluminum Components Philippe Hendrickx Department of Mining and Materials Engineering McGill University, Montreal, QC April 2017 A thesis submitted to McGill University in partial fulfillment of the requirements of the degree of Doctor of Philosophy in Engineering. © Philippe Hendrickx 2017 ABSTRACT Solid-state recycling is a promising route to revalorize the components of end-of-life (EoL) aircrafts. Its main advantage lies in the significant energy and materials savings achieved compared to conventional remelting-based recycling routes, which downgrade drastically aerospace aluminum alloys (AA). It provides an environmentally-friendly solution for the recycling of EoL aerostructures, while opening new revalorization perspectives through powder metallurgy (PM) processing. The recycling route proposed in this work includes a comminution step of Al scraps followed by a sintering step of the pulverized scrap powders produced. The quality of the recycled products being controlled by the operating parameters of each process, any improvements to the knowledge of their influence over the properties of the pulverized powders and compacts provides enhanced control over the revalorization process. Therefore, among all the technical challenges involved in aerospace Al components recycling, this research will focus specifically on the industrial comminution of different Al scrap, the development of process-structure-property relationships for the comminution of Al chips followed by the sinterability study of pulverized Al scrap using spark plasma sintering (SPS) and finally, the recyclability assessment of Al 7075 scrap via the proposed solid-state processing route. Firstly, the comminution of three types of Al scrap including chips, turnings and plates was investigated at the industrial scale. The usage of a roughening treatment to pre-process coarse Al turnings and plates for further comminution was initially studied. However, it was accompanied by the accumulation of contamination within the scrap materials. During comminution, the properties of the pulverized scrap particles were mainly dictated by the residence time of the feedstocks within the processing line. In particular, comminution led to microstructural refinement, passivation layer thickening and oxide dispersion formation within the pulverized powders. The fraction of nanograins (< 200 nm), thickness of the passivation layer and Al O 2 3 dispersion amounted to 24%, ~6.8 nm and 2.1 wt% Al O for the chips, 15%, ~9.5 nm and 10.1 2 3 wt% Al O for the turnings and 9%, ~9.8 nm and 15.3 wt% Al O for the plates, respectively. 2 3 2 3 Secondly, a parametric study of the comminution processing of Al chips was undertaken to develop its process-structure-property relationships and assess its capability to tailor powders for the PM industry. The sets of circumferential velocity and ventilation power tested dictated the I residence time and deformation experienced by the feedstocks, which, in turn, controlled the properties of the pulverized particles. Prolonged residence time and high deformation promoted microstructural refinement, accumulation of contamination, passivation layer thickening and oxide dispersion within the pulverized particles. In particular, the fraction of nanograins (< 200 nm), thickness of the passivation layer and Al O dispersoids content of the pulverized powders 2 3 ranged from 24 to 5%, 6.8 to 7.6 nm and 2.1 to 5.2 wt% Al O as circumferential velocity 2 3 decreased, while they ranged from 18 to 39%, 5 to 8.7 nm and 2 to 7.1 wt% Al O as ventilation 2 3 power decreased, respectively. Moreover, a mechanism for Al scrap comminution was proposed. Thirdly, the sinterability of the Al powders prepared previously by comminution was investigated using SPS. The mechanical properties of the sintered compacts resulted from the competing contributions of the oxide dispersion, passivation layer and contaminants present within the pulverized powders. The compacts of pulverized Al 1350 chips presented improved mechanical properties as a result of oxide dispersion strengthening, while the compacts of pulverized Al turnings and plates exhibited poor mechanical properties due to deficient interparticle bonding and the presence of embedded contaminants acting as preferential crack nucleation sites upon loading. For these compacts, the formation of metallurgical bonding during sintering was limited by the thick passivation layer of the pulverized particles and the presence of contaminants preventing direct contacts between powder particles. Furthermore, the capability of the complete solid-state processing approach to recycle Al scrap was assessed by comparison of the pulverized powders and compacts with atomized references. The proposed route for close- loop recycling of Al scrap towards the PM industry was found viable under certain conditions. Finally, the recyclability of Al 7075 scrap using the proposed solid-state route was evaluated by comparison with atomized Al 7075 powders and compacts. The pulverized alloy powders possessed 8 nm thick Al O /spinel composite passivation layer with adhering exogenous 2 3 contaminants, and contained Al O particles dispersed throughout the powder matrix. Upon 2 3 sintering, the pulverized compacts exhibited poor mechanical properties compared to their atomized equivalents due to the lack of metallurgical bonding resulting from the high fracture strength of the composite passivation layer and the presence of embedded contaminants acting as preferential crack nucleation sites. Currently, the close-loop recycling of aerospace Al scrap by successive comminution and SPS processing was deemed as non-viable. II RÉSUMÉ Le recyclage par voie solide est une approche prometteuse pour revaloriser les composants d’aéronefs en fin de vie (FdV). Son avantage principal réside dans les importantes économies d’énergie et de matériaux réalisées par rapport aux approches de recyclage conventionnel par refonte de matériaux qui dévalorisent significativement les alliages aérospatiaux d'aluminium. Cette approche offre ainsi une solution écologique pour le recyclage d’aérostructures en FdV tout en ouvrant de nouvelles perspectives de revalorisation des matériaux par le biais de la métallurgie des poudres (MP). L’approche de recyclage proposée dans ce travail comprend une étape de broyage de rebuts d’Al suivie par une étape de frittage des poudres broyées produites. La qualité des produits recyclés étant contrôlée par les paramètres de fonctionnement de chaque procédé, toute amélioration des connaissances de leur influence sur les propriétés des poudres et compacts broyés fournit un meilleur contrôle sur le processus de revalorisation des composants traités. Ainsi, parmi tous les défis techniques liés au recyclage de composants aérospatiaux en Al, cette recherche va se concentrer spécifiquement sur le broyage industriel de différents types de rebuts d’Al, le développement de relations procédé-structure-propriété pour le broyage de copeaux d’Al suivie par une étude de la frittabilité de rebuts d’Al broyés au moyen du procédé de frittage par décharge plasma (FDP) et pour finir, l’évaluation de la recyclabilité de rebuts d’Al 7075 en utilisant l’approche de traitement par voie solide proposée. Premièrement, le broyage de trois types de rebuts d’Al dont des copeaux fins et grossiers et des plaques a été étudié à l'échelle industrielle. Initialement, l’utilisation d’un traitement de dégrossissage afin de prétraiter des copeaux grossiers et des plaques d’Al en prévision de leur broyage ultérieur a été étudiée. Cependant, l’exécution de ce procédé s’est accompagnée par une accumulation de contaminants au sein des matériaux à recycler. Au cours du traitement de broyage, les propriétés des particules de rebuts broyés ont été principalement dictées par le temps de résidence des matières premières au sein de la ligne de broyage. En particulier, le traitement de broyage a conduit au raffinement de la microstructure, l’épaississement de la couche de passivation ainsi qu’à la formation d’une dispersion d'oxydes au sein des poudres broyées. La proportion de nanograins (< 200 nm), l'épaisseur de la couche de passivation et la dispersion d’Al O étaient ainsi de 24%, ~6.8 nm et 2.1% en poids d’Al O pour les copeaux fins, 15%, 2 3 2 3 III ~9.5 nm et 10.1% en poids d’Al O pour les copeaux grossiers et 9%, ~9.8 nm et 15.3% en poids 2 3 d’Al O pour les plaques, respectivement. 2 3 Deuxièmement, une étude paramétrique du broyage de copeaux d’Al a été effectuée pour en établir les relations procédé-structure-propriété et en évaluer la capacité à préparer des poudres adaptées pour l'industrie de la MP. Les couples de vitesse circonférentielle et puissance de ventilation testés ont ainsi contrôlé le temps de résidence et le niveau de déformation subi par les matières premières qui ont, à leur tour, régis les propriétés des particules broyées. Ainsi, de longs temps de résidence et de hauts niveaux de déformation ont favorisé le raffinement de la microstructure, l'accumulation de contamination, l’épaississement de la couche de passivation et la dispersion d’oxydes au sein des poudres broyées. En particulier, la proportion de nanograins (< 200 nm), l'épaisseur de la couche de passivation et la teneur en dispersoïdes des poudres broyées variaient de 24 à 5%, 6.8 à 7.6 nm et 2.1 à 5.2% en poids d’Al O lorsque la vitesse 2 3 circonférentielle diminuait, alors qu'ils variaient de 18 à 39%, 5 à 8.7, nm et 2 à 7.1% en poids d’Al O lorsque la puissance de ventilation diminuait, respectivement. Par ailleurs, un 2 3 mécanisme du broyage de rebuts d’Al a été proposé. Troisièmement, la frittabilité des poudres d’Al précédemment broyées a été étudiée au moyen du procédé de FDP. Les propriétés mécaniques des compacts frittés résultaient des contributions concurrentes de la dispersion d’oxydes, de la couche de passivation et des contaminants présents au sein des poudres broyées. Les compacts de copeaux fins d’Al 1350 broyés ont ainsi présenté des propriétés mécaniques supérieures à la norme grâce à un durcissement par dispersion d'oxydes tandis que les compacts de copeaux grossiers et de plaques d'Al broyés faisaient état de propriétés mécaniques médiocres à cause de liaisons interparticulaires déficientes et de la présence de contaminants incrustés agissant comme sites préférentiels de germination de fissures en cours de sollicitation. Pour ces compacts, la formation de liaisons métallurgiques pendant le frittage a été limitée par l’épaisse couche de passivation des particules broyées et la présence de contaminants empêchant les contacts directs entre particules de poudres. Par ailleurs, l’aptitude de l’approche complète de traitement par voie solide à recycler des rebuts d’Al a été évaluée par comparaison des poudres et compacts broyés avec des matériaux atomisés de référence. L’approche proposée pour le recyclage en boucle fermée de rebuts d’Al via l'industrie de la MP a ainsi été jugée viable sous certaines conditions. IV Finalement, la recyclabilité de rebuts d’Al 7075 en utilisant l’approche par voie solide proposée a été étudiée par comparaison avec des poudres atomisées d’Al 7075. Les poudres d'alliage broyées possédaient une couche de passivation composite Al O /spinel de 8 nm d’épaisseur à 2 3 laquelle adhéraient des contaminants exogènes, et qui contenaient des particules d’Al O 2 3 dispersées au sein de la matrice des poudres. Après frittage, les compacts broyés présentaient de faibles propriétés mécaniques par rapport à leurs équivalents atomisés en raison de l’absence de liaisons métallurgiques entre les particules, ce qui était dû à la haute résistance à la rupture de la couche de passivation composite et à la présence de contaminants incrustés agissant comme sites préférentiels de germination de fissures. À l’heure actuelle, le recyclage en boucle fermée de rebuts d’Al aérospatial par des traitements successifs de broyage et de FDP a été considéré comme étant non viable. V ACKNOWLEDGEMENTS First and foremost, I would like to thank my family, who have always been there to support and encourage me over all these years. I would like to express my gratitude to my supervisor, Prof. Mathieu Brochu, for providing me with the opportunity to do my Ph.D. experience at McGill University. I also wish to thank him deeply for his guidance, availability and support throughout the years, and especially for his understanding of the delicate situation of international students. I would not have been able to complete this work without the friends and colleagues I’ve made during my time at McGill. To all the people with whom I’ve shared great times, parties, passionate debates and sports events (especially the softball games), my thanks. I especially wish to express my gratitude to the members of the late-NAINLab and the P2AM2 research groups: Jason M. (my unfortunate desk buddy and mentor), Dave H., Dave W., Beto, Masum, Nesli, Bamidele, Gil, Sam, Rosen, Rabab, Marie-Pier, Cory, Justin, Dany, Javier, Nejib, Lucie, Abhi, Melissa, Andrew, Jason D., Rodrigo, Yuan, Ryan, Xianglong, and to all the people I connected with in the department: Holger, Bikram, Deniz, Dong-Geun, Manas, Jing, Mehdi, Chris, Mert. Special thanks to Kabir for his companionship and unfailing support on our lunch raids to the Kai Lo Hin buffet. I would further thank the outstanding administrative and technical staff of the department for all their assistance: Barbara, Terry, Courtney, Monique, Ray, Robert and Lihong. I am also deeply grateful to the board members and technical staff of Sotrem-Maltech: Michel, Patrick, Jérôme, Sébastien, Maxime, Keven, Jean-Michel and Lyne who have offered me an outstanding Ph.D. research experience in industry through the Mitacs Accelerate program. Finally, I would like to extend my gratitude to the Faculty of Engineering for the McGill Engineering Doctoral Award (MEDA), the Regroupement Aluminum-Aluminum Research Center (REGAL), the Consortium de Recherche et d’Innovation en Aérospatiale au Québec (CRIAQ), as well as Bombardier, Bell Helicopter, Sotrem-Maltech, BFI, NanoQuebec, and Aluminerie Alouette for their financial support of this project. VI TABLE OF CONTENTS ABSTRACT .............................................................................................................. I RÉSUMÉ ................................................................................................................ III ACKNOWLEDGEMENTS ................................................................................. VI TABLE OF CONTENTS ....................................................................................VII LIST OF FIGURES .............................................................................................. XI LIST OF TABLES .......................................................................................... XVIII CONTRIBUTIONS OF AUTHORS .................................................................. XX PREFACE ........................................................................................................... XXI CHAPTER 1 INTRODUCTION .......................................................................... 1 1.1 ALUMINUM IN INDUSTRY ......................................................................................... 1 1.1.1 Generalities ............................................................................................................... 1 1.1.2 Recycling ................................................................................................................... 3 1.2 AEROSPACE ALUMINUM ALLOYS ........................................................................... 6 1.3 EOL AIRCRAFT RECYCLING .................................................................................... 11 1.3.1 Remelting Route ...................................................................................................... 16 1.3.2 Powder Metallurgy Route ....................................................................................... 17 1.3.2.1 Mechanical milling .............................................................................................. 18 1.3.2.2 Comminution ....................................................................................................... 20 1.3.2.3 Conventional sintering ........................................................................................ 24 1.3.2.4 Spark plasma sintering ........................................................................................ 27 1.4 RESEARCH OBJECTIVES ........................................................................................... 30 1.5 REFERENCES ............................................................................................................... 31 CHAPTER 2 EXPERIMENTAL METHODS AND MATERIALS ..............39 2.1 STARTING MATERIALS ............................................................................................ 39 2.2 POWDER FABRICATION PROCEDURE ................................................................... 40 2.2.1 Roughening ............................................................................................................. 41 2.2.2 Comminution ........................................................................................................... 41 2.3 SPARK PLASMA SINTERING PROCEDURE ........................................................... 43 VII 2.4 MECHANICAL PROPERTIES ..................................................................................... 45 2.4.1 Microhardness ........................................................................................................ 45 2.4.2 Bending Tests .......................................................................................................... 45 2.5 ANALYSIS METHODS ................................................................................................ 46 2.5.1 Chemical Composition ............................................................................................ 46 2.5.2 Microscopy .............................................................................................................. 46 2.5.3 X-Ray Diffraction .................................................................................................... 47 2.5.4 X-Ray Photoelectron Spectroscopy......................................................................... 48 CHAPTER 3 INDUSTRIAL COMMINUTION OF DIFFERENT AL SCRAP ........................................................................................................49 3.1 PREFACE ...................................................................................................................... 49 3.2 ABSTRACT ................................................................................................................... 49 3.3 INTRODUCTION .......................................................................................................... 50 3.4 EXPERIMENTAL METHODS ..................................................................................... 52 3.4.1 Materials ................................................................................................................. 52 3.4.2 Pre-processing ........................................................................................................ 53 3.4.3 Comminution ........................................................................................................... 53 3.4.4 Characterization ..................................................................................................... 54 3.5 RESULTS AND DISCUSSION ..................................................................................... 57 3.5.1 Materials Pre-processing........................................................................................ 57 3.5.2 Comminution ........................................................................................................... 61 3.5.3 PM Powders Fabrication ........................................................................................ 68 3.6 CONCLUSIONS ............................................................................................................ 74 3.7 REFERENCES ............................................................................................................... 75 CHAPTER 4 PROCESS-STRUCTURE-PROPERTY RELATIONSHIPS OF THE COMMINUTION PROCESSING OF AL SCRAP ............................78 4.1 PREFACE ...................................................................................................................... 78 4.2 ABSTRACT ................................................................................................................... 78 4.3 INTRODUCTION .......................................................................................................... 79 4.4 EXPERIMENTAL METHODS ..................................................................................... 80 VIII 4.4.1 Material................................................................................................................... 80 4.4.2 Comminution ........................................................................................................... 81 4.4.3 Characterization ..................................................................................................... 81 4.5 RESULTS AND DISCUSSION ..................................................................................... 83 4.5.1 Process-structure-property Relationships .............................................................. 83 4.5.2 PM Powders ............................................................................................................ 92 4.6 CONCLUSIONS .......................................................................................................... 102 4.7 REFERENCES ............................................................................................................. 103 CHAPTER 5 RECYCLING OF PULVERIZED AL 1350 CHIPS AND TURNINGS BY SPARK PLASMA SINTERING ............................................106 5.1 PREFACE .................................................................................................................... 106 5.2 ABSTRACT ................................................................................................................. 106 5.3 INTRODUCTION ........................................................................................................ 107 5.4 EXPERIMENTAL METHODS ................................................................................... 108 5.4.1 Materials ............................................................................................................... 108 5.4.2 Spark Plasma Sintering......................................................................................... 109 5.4.3 Powder and Compact Characterization ............................................................... 110 5.5 RESULTS AND DISCUSSION ................................................................................... 111 5.5.1 Starting Powder Feedstocks ................................................................................. 111 5.5.2 Compacts............................................................................................................... 114 5.6 CONCLUSIONS .......................................................................................................... 123 5.7 REFERENCES ............................................................................................................. 124 CHAPTER 6 RECYCLABILITY ASSESSMENT OF AL 7075 CHIPS PRODUCED BY COLD COMMINUTION AND CONSOLIDATION USING SPARK PLASMA SINTERING .........................................................................126 6.1 PREFACE .................................................................................................................... 126 6.2 ABSTRACT ................................................................................................................. 126 6.3 INTRODUCTION ........................................................................................................ 127 6.4 EXPERIMENTAL PROCEDURES ............................................................................ 128 6.4.1 Powder Fabrication and Sampling ....................................................................... 128 IX