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Solidification of iron-rich intermetallic phases and their effects on tensile properties in Al-Cu 206 cast alloys

Liu Kun. (2012). Solidification of iron-rich intermetallic phases and their effects on tensile properties in Al-Cu 206 cast alloys. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

The Al-Cu 206 cast alloys have been widely used in automotive and aerospace industries due to the high strength and good elevated temperature properties. However, this family alloys have an extremely low upper limit for the iron content (usually less than 0.15 wt. %) because the presence of more Fe can cause a great loss of the mechanical properties, particularly the ductility. With the increasing use of the recycled aluminum alloys, the requirement for extremely low iron contents has become a main concern in terms of the manufacturing technique and cost. Therefore, manufacturing premium castings with higher iron contents has become a great challenge.

In this study, the solidification behavior of the iron-rich intermetallics and the effect of alloy composition, cooling rate and solution heat treatment on the iron-rich intermetallics were systematically investigated in 206 cast alloys at 0.15, 0.3 and 0.5 wt. % Fe. The effect of the iron-rich intermetallics on the tensile properties was also evaluated. An optical microscope, a scanning electron microscope and a transmission electron microscope were used to observe the microstructures and analyze the volume fraction of the iron-rich intermetallics as well as the fracture surface. The solidification sequences of 206 cast alloys at 0.15-0.5 wt. % Fe were well established. The experimental results in the present thesis are divided into four parts.

In the first part, the iron-rich intermetallics in 206 cast alloys at 0.15 wt. % Fe were studied. It was found that Chinese script a-Fe and platelet-like B-Fe can precipitate and coexist in the finally solidified alloy and the individual addition of either Mn or Si promotes the formation of a-Fe and hinders the occurrence of B-Fe. The critical cooling rate to effectively suppress the formation of B-Fe depends on the alloy composition. A casting process map is established to correlate the Mn and Si contents with cooling rate for the 206 cast alloys.

In the second part, the iron-rich intermetallics in 206 cast alloys at 0.3 wt. % Fe were investigated. Platelet B-Fe and Chinese script a-Fe were observed in the solidified samples. Both the a-Fe and B-Fe phases can nucleate on the oxide films. In addition, a-Fe can also nucleate on Al6(FeMnCu) and Al3Ti particles while the earlier formed a-Fe phase can also nucleate the later formed B-Fe phase. In addition, Either Si or Mn favors the transformation of B-Fe into the a-Fe phase. At a combination of both high Mn and high Si, almost all B-Fe platelets can be converted into Chinese script a-Fe. For a cast Al-4.5Cu-0.3Fe alloy, 0.3% Mn and 0.3% Si are required to completely suppress the B-Fe phase.

In the third part, the iron-rich intermetallics in 206 cast alloys at 0.5 wt. % Fe were studied. In addition to the two typical platelet B-Fe and Chinese script a-Fe phases, two extra phases, i.e. Chinese script Alm(FeMn) and platelet Al3(FeMn) were experimentally observed in the solidified alloys for the first time in the 206 cast alloys. Alm(FeMn), a-Fe and Al3(FeMn) are all possible as dominant iron-rich intermetallic phases. The individual addition of Si favors the formation of a-Fe but inhibits the precipitation of B-Fe while the individual addition of high Mn promotes the formation of Al3(FeMn). The combined addition of both Si and Mn enhances the formation of predominate a-Fe. Furthermore, the formation temperature of each iron-rich intermetallic phase decreases and the stable iron-rich intermetallic is gradually replaced by the metastable phase with increasing cooling rate. There exists a threshold cooling rate to obtain the predominant Chinese script Alm(FeMn) or a-Fe phases.

Finally, the effect of iron-rich intermetallics on the tensile properties of the 206 cast alloys was performed. It was found that the tensile strengths linearly decrease with increasing iron content but higher strength are obtained for the alloys with dominant Chinese script iron-rich intermetallics than those with dominant platelet ones at similar iron levels. The 206 alloys above an iron level of 0.15% are hard to meet the minimum ductility (7%) in artificial overaging treatment (T7). However, the iron content limitation can be extended to 0.3%, or even to 0.5% to meet the 7% elongation in natural aging treatment (T4) condition under well controlled Mn and Si contents, providing the great potential to cast premium 206 alloys at high iron levels.

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L'alliage Al-Cu 206 est largement utilisé dans les industries automobile et aéronautique en raison de sa grande résistance et de ses bonnes propriétés à température élevée. Toutefois, ce type d'alliage possède une faible teneur en fer (généralement une fraction massique inférieure à 0,15%), car la présence davantage de fer peut causer une diminution considérable des propriétés mécaniques. Avec l'utilisation de plus en plus croissante des alliages d'aluminium recyclé, l'exigence pour une teneur très basse en fer est devenue une préoccupation majeure en termes de technique de fabrication et de coût. Par conséquent, la fabrication de pièces de haute gamme avec une teneur élevée de fer est un très grand défi.

Dans cette étude, le comportement des composés intermétalliques riches en fer au cours de la solidification et les effets de la composition de l'alliage, de la vitesse de refroidissement et de la mise en solution sur les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé à différentes teneurs massique de fer : 0,15, 0,3 et 0,5% a été étudié. L'effet des composés intermétalliques riches en fer sur les propriétés de traction a également été étudié. Un microscope optique, un microscope électronique à balayage et un microscope électronique à transmission ont été utilisés pour observer les microstructures et analyser la fraction volumique des composés intermétalliques riches en fer ainsi que la surface de rupture. Les séquences de solidification de l'alliage 206 coulé à teneur massique en fer comprise entre 0,15 ~ 0,5% ont été mis en place. Les résultats expérimentaux de la présente thèse sont divisés en quatre parties.

Dans la première partie, les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé avec une teneur en fer de 0,15% ont été étudiées. Il a été constaté que la phase a-Fe à charactère chinois et B-Fe en forme de plaquettes coexistent et peuvent précipiter dans l'alliage solidifié et l'addition individuelle de Mn ou de Si favorise la formation de a-Fe et empêche l'apparition de B-Fe. La vitesse critique de refroidissement pour supprimer efficacement la formation de B-Fe dépend de la composition de l'alliage. Une carfographie du processes de coulée a été établie pour corréler entre la teneur du Mn et du Si avec un taux de refroidissement pour l'alliage 206 coulé.

Dans la deuxième partie, les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé avec une teneur en fer de 0,3% ont été étudiées. Les phases à plaquettes B-Fe et celle à écriture chinoise a-Fe ont été observées dans les échantillons solidifiés. Les deux phases a-Fe et B-Fe peuvent germer sur des films d'oxyde. En outre, a-Fe peut aussi germer sur Al6(FeMnCu) et sur les particules Al3Ti, tandis que les phases a-Fe formées plus tôt peuvent également germer sur la phase B-Fe formée plus tard. En plus, ni Si ni Mn ne favorisent la transformation de la phase B-Fe en celle de a-Fe. À une combinaison du Mn et du Si élevés, presque toutes les plaquettes B-Fe peuvent être converties en phase à caractères chinois a-Fe. Pour une coulée de l'alliage Al-4,5Cu-0,3Fe, 0,3% Mn et 0,3% Si sont requis pour supprimer complètement la phase B-Fe.

Dans la troisième partie, les phases intermétalliques riches en fer dans l'alliage 206 coulé avec une fraction de fer de 0,5% du poids ont été étudiées. En plus des deux phases, celle typiquement à plaquettes B-Fe et celle à écriture chinoise a-Fe, deux phases supplémentaires, c'est-à-dire, à écriture chinoise Alm(FeMn) et à plaquettes Al3(FeMn) ont été observés expérimentalement dans les alliages solidifiés pour la première fois dans l'alliage 206 coulé. Alm(FeMn), a-Fe et Al3(FeMn) sont toutes possibles comme phases intermétalliques riches en fer dominantes. L'addition individuelle de Si favorise la formation de a-Fe mais inhibe la précipitation de B-Fe, tandis que l'ajout individuel d'une grande fraction de Mn favorise la formation de Al3(FeMn). L'addition combinée de Si et de Mn améliore la formation prédominante de a-Fe. En outre, la température de formation de la phase intermétallique riche en fer diminue et la phase intermétallique riche en fer stable est progressivement remplacée par la phase métastable avec l'augmentation de la vitesse de refroidissement. Il existe un seuil de vitesse de refroidissement pour obtenir une prédominance de la phase à écriture chinoise Alm(FeMn) ou a-Fe.

Enfin, l'effet des composés intermétalliques riches en fer sur les propriétés de traction de l'alliage 206 coulé a été étudié. Il a été constaté que la résistance ultime à la rupture diminue linéairement avec l'augmentation de la teneur en fer, mais une plus grande résistance à la traction est obtenue pour les alliages contenant des composés intermétalliques à écriture chinoise riches en fer que ceux à dominance de plaquettes à des teneurs similaires de fer. Les alliages 206 à teneur de fer suppérieur à 0,15% traités pas vieillissenent artificiel atteignent difficilement la ductilité minimale (7%) comparés à ceux ayant subi un traitment de type (T7). Cependant, la limitation de la teneur en fer peut être étendue à 0,3%, voire à 0,5% pour répondre à l'allongement de 7% dans le traitement de vieillissement naturel (T4) sous la condition de bien contrôler la teneur en Mn et celle en Si, ce qui fournit un grand potentiel de couler l'alliage 206 à des teneurs de fer élevées.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2012
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:224
ISBN:9781412319256
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie minier et génie géologique
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
Cao, Xinjin
Mots-clés:Alliages aluminium-cuivre, Composés intermétalliques--Propriétés mécaniques, Aluminum-copper alloys, Intermetallic compounds--Mechanical properties
Déposé le:17 avr. 2014 14:08
Dernière modification:18 mai 2016 20:13
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