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The effects of Mo addition and heat treatment on elevated temperature properties of AA3004 alloys

Ma Hezhaoye. (2015). The effects of Mo addition and heat treatment on elevated temperature properties of AA3004 alloys. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Nowadays, the application of aluminum alloys at elevated temperatures (250-350℃) has been raised due to the demand in automotive and aerospace industries. However, the rapid coarsening of precipitates in traditional precipitation-hardening aluminum alloys, such as 2xxx, 6xxx and 7xxx alloys results in a sharp decrease of elevated-temperature strengths. Therefore, developing a low-cost but thermally stable aluminum alloy is always a key concern in industries. Recently, the potential elevated-temperature applications of 3004 alloy has been investigated and found that the precipitation of dispersoids can remarkable improve the elevated-temperature strength and creep resistance, which can be thermally stable up to 300℃. However, the strength decreases with increasing temperature beyond 300℃. In order to further improve the elevated-temperature strength and retard the coarsening rate of dispersoids, Mo, as one of the transitional elements which have much lower diffusion rate has been added in 3004 alloy in present work to study the effects of Mo addition and heat treatment on properties of AA3004 alloys. A systematic study on properties of as-cast and heat-treated conditions was performed to fully investigate the characteristic of Mo addition in AA3004 alloys as well as its influence on the dispersoids precipitation behavior and strengths. The results demonstrated that α-Al(Mn, Fe, Mo)Si dispersoids forms during the proper precipitation treatment both in interdenite and intradendrite zone, leading to a higher volume fraction of dispersoids and less dispersoid free zone (DFZ) compared with the base 3004 alloy. Therefore, the elevated-temperature properties, such as the yield strength and creep resistance at 300℃, have been further improved with the addition of Mo (~ 0.3 wt. %) after heat treatment. Besides, though elevated-temperature properties reduces with increasing temperature beyond 300℃, however, the decreasing rate is much lower than the base 3004 alloy benefited from the slower coarsening rate of α-Al(Mn,Fe,Mo)Si due to the low diffusion of Mo. In addition, α-Al(Mn,Fe,Mo)Si dispersoids is found to be thermally stable up to 350℃ compared with 300℃ in the base 3004 alloy, further widening the applications of 3004 alloys at elevated temperature. A preliminary study on the preheating treatment on improving the elevated-temperature properties also has been performed and the found the properties can be further improved by pretreated at 250℃ for 24 hours. With the addition of 0.3 wt. % Mo and treated after 250℃ for 24 hours followed by peak precipitation treatment (375℃ for 24-48 hours), the yield strength and creep resistance at 300℃ can be further improved by 12% (from 78MP to 88MPa) and 53% (from 1.3×10-8s-1 to 6.1×10-9s-1 in minimum creep rate), respectively, compared with base 3004 alloy after peak precipitaition treatment while the appliable temperature range has been extended to 350℃, providing the more promissing potential of 3004 alloys for the elevated-temperature applications.

De nos jours, les applications des alliages d’aluminium à haute température ont augmentées en raison de la demande des industries automobiles et aéronautiques. Cependant, le croissement rapide de précipités dans les alliages d’aluminium traditionnel à précipitations durcissantes comme les alliages 2xxx, 6xxx et 7xxx à conduit a une diminution élevée de la résistance à haute température.Par conséquent, le développement des alliages d’aluminium stables thermiquement et à faible coût représente toujours la préoccupation majeure des industries. Récemment, le potentiel des applications de l’alliage 3004 à température élevée a été étudié et le résultat obtenu montre que la précipitation des dispersoïdes peut remarquablement améliorer la résistance à température élevée et la résistance au fluage. Cet alliage peut être stable thermiquement jusqu’à 300°C, cependant la résistance diminue avec l’augmentation de la température. Afin de pouvoir améliorer encore plus la résistance à température élevée et ainsi retarder le taux de croissement des dispersoïdes, dans ce présent travail, l’élément transitoire Mo possédant un faible taux de diffusion a été ajouté à l’alliage 3004 pour étudier les effets de l'addition de Mo et aussi le traitement thermique sur les propriétés des alliages AA3004. Une étude systématique des propriétés pour les conditions comme la coulée et le traitement thermique a été réalisée pour examiner entièrement les caractéristiques de l’addition du Mo dans l’alliage AA3004 de même que son influence sur le comportement de la précipitation des dispersoïdes et l’effet du renforcement. Les résultats démentent que pendant le traitement de la précipitation appropriée, les desperoïdes α-Al(Mn,Fe,Mo)Si se forment à la fois dans les zones interdenite et intradendrite, conduisant à une fraction de volume plus élevé de dispersoïdes et à moins de dispersoïdes dans la zone libre (DFZ) par rapport à l’alliage de base 3004. Par conséquent, les propriétés à températures élevées, telles que la limite d'élasticité et la résistance au fluage à 300°C ont été encore améliorées avec l'ajout du Mo (~ 0.3 wt. %) après le traitement thermique. D’ailleurs, les propriétés à températures élevées diminuent avec l'augmentation de la température de traitement thermique. Cependant, le taux de diminution est beaucoup plus faible que pour l'alliage de base 3004 qui bénéficie d’un taux plus lent de croissement du α-Al(Mn, Fe, Mo)Si en raison de la faible diffusion du Mo. De plus, les dispersoïdes α-Al(Mn, Fe, Mo)Si se révèlent être stable jusqu’à 350°C comparés à 300°C pour l’alliage de base 3004 élargissant ainsi davantage les applications des alliages 3004 à des températures élevées. Une étude préliminaire du traitement de préchauffage sur l’amélioration des propriétés à température élevée a été également effectuée et les résultats montrent que les propriétés peuvent être encore améliorées par prétraiter à 250°C pendant 24 heures.Avec l'ajout du poids de 0,3 % de Mo traité après 250°C pendant 24 heures suivi d'un traitement de précipitation à pic (375°C pendant 24-48 heures), la limite d'élasticité et la résistance au fluage à 300°C peuvent encore être améliorée de 12% (de 78 MP à 88 MPa) et de 53% (de 1,3 × 10-8s-1 à 6,1 × 10-9s-1 pour un taux de fluage minimum) par rapport à l’alliage de base 3004 après le traitement de précipitation à pic. Tandis que la gamme de température applicable a été étendue à 350°C, offrant un potentiel plus prometteur des alliages 3004 pour les applications à température élevée.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:Septembre 2015
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:96
ISBN:Non spécifié
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
Mots-clés:AA3004, aluminum alloys, dispersoid strengthening, elevated temperature, heat treatment, des alliages d'aluminium, desperoïdes, température élevée, traitement thermique
Déposé le:09 déc. 2016 08:28
Dernière modification:16 févr. 2017 00:48
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