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Developing Sc and Zr containing Al-B?C metal matrix composites for high temperature applications

Lai, Jing. (2011). Developing Sc and Zr containing Al-B?C metal matrix composites for high temperature applications. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Dans cette étude, nous nous intéressons principalement au développement de la coulée, et au durcissement structrural des composites à matrice métallique AI-B4C pour des applications à haute temperature. Le scandium et le zirconium ont été introduits dans le système AI-B4C, comme éléments d'alliage, et leurs effets sur la microstrcture, la réponse au vieillissement, les propriétés mécaniques et la stabilité thermique ont été étudiés.

Afin de réaliser cette étude, un microscope optique, un microscope électronique à balayage et un microscope électronique à transmission ont été utilisés dans le but d'observer la microstructure de brut de coulée et celle obtenue après vieillissement, d'analyser les réactions interfaciales, la distribution des éléments d'alliage entre l'interface et la matrice ainsi que pour examiner l'évolution des précipités lors de la couleé et le vieillissement.

La réponse au vieillissement et le durcissement structural de la matrice ont été suivis par des mesures de dureté 'Vickers'. Les propriétés mécaniques et la stabilité thermique à long terme des composites contenant Se et Zr ont été évaluées en utilisant des essais de dureté Vickers et Rockwell ainsi que des essais de compression.

Dans le premier chapitre de cette étude, des plaques de B4C ont été immergées dans l'aluminium liquide contenant Se, Zr et Ti afin d'étudier les réactions interfaciales entre le B4C et l'aluminium liquide. Les effets de Se, Zr et Ti à l'interface en terme d'apports individuels et combinés ont été examinés. Les résultats montrent que les trois éléments réagissent avec B4C et forment des couches interfaciales, qui agissent comme des barrières de diffusion, dans le but de limiter la décomposition du B4C dans l'aluminium liquide. Ainsi, les réactions interfaciales et les produits de réaction dans chaque système ont été identifiés. En combinant le Se, Zr et Ti, une grande quantité de Ti est enrichie à l'interface, qui non seulement offre une protection appropriée au B4C mais aussi une réduction de la consomation de Se et Zr à l'interface.

Dans le second chapitre, le scandium et le zirconium ont été introduits dans le composite Al-15vol.% B4C, présaturé par Ti et huit composites à diférents teneurs en Se et Zr ont été préparés par couleé conventionelle. Il a été constaté que le scandium favorise les réactions interfaciales avec B4C qui consomme partiellement le Se. L'ajout de Se procure un durcissement structural considerable dans les conditions de couleé conventionnelle et du pic de veiellissement. Afin d'obtenir un durcissement equivalent de Se dans les alliages binaires, environ le double de la quantité de Se est nécessaire pour les composites AI-B4C. Par contre, aucun produit de réaction majeur de Zr n'a été trouvé aux interfaces. En effet, la majeure partie de Zr se concentre dans la matrice pour le durcissenent structurale. La combinaison de Se et Zr augmente de manière significative le durcissement structural. Deux types de précipités nanométriques, AI3SC et Al3(Sc, Zr), ont été observés dans la microstructure obtenue après coulée, qui contribue à une angmentation significative de la dureté de la matrice.

Dans le troisième chapitre, les composites à différents teneur en Se et Zr ont été vieillis en condition isotherme à 300, 350, 400 et 450 °C après homogénéisation/mise en solution. Les résultats démontrent que l'ajout de Se induit un durcissement par precipitation considerable à la matrice des composites, pour toutes les temperatures de vieillissement appliquées. L'effet du durcissement par précipitation augmente avec l'augmentation de la quantité de Se et diminue lorsque la temperature de vieillissement est surélevée. La combinaison des éléments d'alliage Zr et Se dans les composites AI-B4C produit un effet synergique.

L'addition de Zr fournit non seulement une augmentation de la résistance mécanique au pic de vieillissement mais aussi une amélioration de la stabilité thermique. Les composites ayant un rapport Zr:Sc élevé ( > 1) présentent une excellente stabilité thermique de la résistance mécanique jusqu'à 400 °C. Le survieilissement est retardé d'environ -100 °C par rapport aux composites sans Zr pour la même teneur en Se. La fraction volumique de précipités, le rayon moyen et la distribution de la taille des précipités nanométriques AI3SC et Al3(Sc,Zr) ont été mesurés au cours du processus de vieillissement. Les précipités Al3(Sc,Zr) montrent généralement une résistance au grossissement bien meilleure que celle des précipités AI3SC. Il est également confirmé que le contournement d'Orowan est le principale mécanisme qui contrôle le durcissement par precipitation des deux précipités.

Dans le quatrième chapitre, deux composites contenant chacun 0.4% Se et 0.4% plus 0.24 % Zr ont été élaborés pour examiner leurs propriétés mécaniques au cours d'une exposition de longue durée (2000h) à des temperatures élevées, allant de 250 à 350 °C. Anisi, pour une stabilité thermique prolongée, les propriétés mécaniques du composite contenant Se et Zr sont stables jusqu'à 300 °C, pendant que le composite contenant uniquement Se montre une bonne resistance à l'adoucissement jusqu'à 250 °C. Pour des temperatures élevées la résistance mécanique des deux composites diminus en fonction du recuit prolongé. La dégradation des propriétés mécaniques des composites pendant une longue période de recuit et à haute temperature est dominée par le grossissement des précipités.

Enfin, deux composites contenant chacun 0.58 % Se et 0.58 % Se plus 0.24 % Zr, ont été laminés à chaud jusqu'à une épaisseur de 2 mm avec une réduction totale de 93%. Les résultats montrent que les composites contenant Se et Zr possèdent une bonne aptitude à la mise en forme par laminage à chaud. La réponse au vieillissement et au renforcement par précipitation au cours des traitement thermiques subits après laminage ont été examinés et 1' impact des paramétres sur le durcissement par vieillissement a été défini.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2011
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:196
ISBN:9781412317610
Identifiant unique:10.1522/030259518
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Chen, X. Grant
Zhang, Zhan
Mots-clés:COMPOSITE, MATRICE, METALLIQUE, SCANDIUM, ZIRCONIUM
Déposé par:Bibliothèque Paul-Émile-Boulet
URL:http://bibliotheque.uqac.ca
Déposé le:30 janv. 2012 06:52
Dernière modification:01 mai 2013 21:04
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