Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Semisolid metal forming is becoming more and more attractive in the foundry industry due to its low cost and easy operation to produce high quality near-net-shape components. Over the past years, semisolid forming technique is mainly applied on the casting aluminum alloys due to their superior castability because of low melting temperature and viscosity. In semisolid forming field, thixoforming has been majorly used which involves of reheating the billet into semisolid state followed by casting process. Rheocasting is a more economic semisolid processing compared to thixoforming, which the semisolid billet is produced directly from liquid phase. The SEED process is one of reliable rheocasting techniques to produce high quality semisolid billets. To produce high quality semisolid billets, their unique rheological properties have been the most important issue need to be fully investigated. The aim of present project is to produce high quality semisolid AA7075 billets by SEED process and analyze their rheological properties under various process conditions. The effect of the SEED processing parameters and grain refiners on the semisolid microstructure and rheoformability were investigated. The deformation and rheological behavior of the semisolid billets of AA7075 base and its grain-refined alloys were studied using parallel-plate viscometer. In the first part, the evolution of liquid fraction to temperature of semisolid AA7075 alloy was investigated using Differential Scanning Calorimetry (DSC). It was found that the liquidus and solidus temperature of AA7075 alloy were 631℃ and 490℃ respectively. And the corresponding temperatures of solid fraction of 40% and 60% were 622℃ and 610℃, which was recognized as the temperature window for semisolid forming of this alloy. In the second part, the semisolid slurries were rheocasted using SEED technology and the effect of the SEED process parameters like swirling frequency and demolding temperature on evolution of microstructure was studied. It was found that the swirling frequency has a strong influence on the mean grain size and morphology of primary α-Al particles. With increasing swirling frequency, the mean size of α-Al particles first decreased significantly and then kept constant or increased slightly, due to the fragment and aggregation of solid particles. Microstructures also revealed that the α-Al particles tend to transform from dendrite-like to rosette-like to globular-like morphology due to the stirring movement. In the third part, the effects of TiB2 and Zr on the microstructure of semisolid AA7075 alloy were investigated. The microstructure observation and the intermetallic phase identification were carried out by optical microscopy equipped with Clemex analyzer and scanning electron microscopy (SEM). The mean size of primary α-Al particles decreases from more than 110 μm to less than 90 μm and the morphology changes from dendritic-like to globular-like with the addition of TiB2. With the addition of Zr or Zr + TiB2, the mean size and morphology of primary α-Al particles didn't show significant modification. Furthermore, the addition of TiB2 shows significant refinement on three intermetallic phases (Mg(Zn,Cu,Al)2, Fe-rich Al(Fe,Mn)Si and Mg2Si. All the intermetallic phases become finer in size and more uniform distribution among the grains. Finally, the rheological behavior and microstructure of deformed semisolid billets of AA7075 base and grain-refined alloys were investigated using parallel-plate viscometer. Images analysis shows that liquid segregates from center to edge of the billet during compression and with increasing temperature the liquid segregation becomes more significant. The apparent viscosity of two alloys decreases with the increasing shear rate, indicating shear thinning behavior. Shear rate jump phenomenon (first increase and then decrease) occurred at lower solid fraction, reaching a maximum shear rate value. The whole compression processing is divided into two parts: shear rate increasing part and shear rate decreasing part. For higher solid fraction, the shear rate decreases continuously and slowly. The attainable maximum shear rate value increases with the decreasing solid fraction. During the shear rate decreasing part, at any given shear rate the viscosity increases with the increasing solid fraction. The comparison of the viscosity of two alloys indicated that the TiB2-refined AA7075 alloy has lower viscosity (shear rate decreasing part) due to small grain size and globular grain shape. In addition, the grain refinement significantly expands the solid fraction range of good rheoformability from 42%-48% for the base alloy to 42%-55% for the refined alloy.

La formation des matériaux métalliques à l’état semi-solide attire de plus en plus l’industrie dû à ses coûts peu élevés et à la facilité avec laquelle il permet de produire des composants aux formes très nettes de qualité supérieure. Depuis les dernières décennies, la technique de mise en forme du métal semi-solide s’applique principalement à la fonderie d’alliages d’aluminium, grâce à sa bonne coulabilité causée par ses basses températures de fusion et de viscosité. Le thixoformage, qui implique de chauffer des lopins jusqu’à l’état semi-solide avant de procéder à la fonte, était majoritairement utilisé. Cette technique est cependant plus couteuse que le rhéomoulage, procédé par lequel le lopin est produit en premier lieu en phase liquide. Le procédé SEED est l’un des plus fiable pour produire des lopins de la meilleure qualité qui soit. Afin de produire des lopins semi-solides d’une telle qualité, leurs propriétés rhéologiques uniques ont été sujet aux plus profondes investigations. Le présent projet a pour objectif de produire des lopins semi-solides AA7075 de haute qualité par le procédé SEED et d’analyser leurs propriétés rhéoligiques sous plusieurs conditions. Pour ce faire, les effets des paramètres de traitement et des affineurs de grain sur la microstructure et la rhéoformabilité ont été investigués. La déformation et le comportement rhéologique des lopins de base AA7075 et des alliages raffinés ont été étudiés en utilisant un viscosimètre à plaques parallèles. Dans la première partie, l’évolution de la fraction de liquide selon la température de l’alliage AA7075 semi-solide a été examinée à l’aide d’un Calorimètre Différentielle à Balayage (DSC). Il a été démontré que le liquidus et le solidus de l’alliage AA7075 étaient respectivement de 631°C et de 500°C. Les températures correspondantes de la fraction de solide de 40% et de 60% étaient de 622°C et 610°C, ce qui correspond à la fenêtre de température pour former un alliage semi-solide. Dans un second lieu, les lopins semi-solides ont été rhéomoulés en utilisant la technologie SEED et l’effet des paramètres du procédé SEED, comme la fréquence de tourbillonnement et la température de démoulage sur l’évolution de la microstrucrure, ont été étudiées. Il a été montré que la fréquence de tourbillonnement a une forte influence sur la taille moyenne des grains et la morphologie des particules primaires -Al. En augmentant de façon continue la fréquence de tourbillonement, la taille moyenne des grains des particules -Al a d’abord diminué de façon significative, pour ensuite rester constante ou augmenter légèrement en raison de la fragmentation et de l’aggrégation des particules solides. Les microstructures ont également révélé que les particules ont tendance à passer de la forme en dentrite vers une forne en rosette, puis vers une forme plus sphérique à cause de la vibration. Dans la troisième partie, les effets de TiB2 et du Zr sur la microstructure de l’alliage AA7075 semi-solide ont été étudiés. L’examen de la microstructure et l’identification des phases intermétalliques ont été réalisées par microscope optique, au moyen du microscope électronique à balayage Clemex (SEM) . La taille moyenne des particules primaires de -Al diminue de plus de 110 um à moins de 90 um et, avec l’addition de TiB2, leur morphologie passe de dendritique à globulaire. Avec l’ajout de Zr ou Zr + TiB2, la taille moyenne et la morphologie des particules -Al primaire n'a pas montré de modification significative. De plus, l'ajout de TiB2 engendre un raffinement significatif sur trois phases intermétalliques (Mg(Zn,Cu,Al)2, Al(Fe,Mn)Si riche en fer et Mg2Si. Toutes les phases intermétalliques obtiennent une taille plus fine et une distribution plus uniforme parmi les grains. Enfin, le comportement rhéologique et la microstructure des lopins déformés semi-solides de la base AA7075 et les alliages à grains raffinés ont été étudiés à l'aide de plaques parallèles viscosimètres. L’analyse des images montre que les liquides migrent du centre vers le bord du lopin lors de la compression et, avec l'augmentation de la température, ce mouvement devient plus important. La viscosité de deux alliages diminue avec l’augmentation de la vitesse de cisaillement, ce qui indique un comportement de fluidification par cisaillement. Le taux de cisaillement subit une grande variation (augmente d’abord puis diminue ensuite) lorsque la fraction solide est plus basse, atteignant ainsi son maximum. La compression se compose donc de deux étapes : la partie où le taux de cisaillement croît, et celle où il décroît. Lorsque la fraction solide est plus haute, le taux de cisaillement diminue de façon continuelle et lente. Le plafond du taux de cisaillement augmente à mesure que diminue la fraction solide. Lorsque la vitesse de cisaillement décroît, la viscosité augmente avec la fraction solide. La comparaison de la viscosité des deux alliages a indiqué que l’alliage raffiné AA7075 TiB2 a une viscosité plus faible (partie décroissante du taux de cisaillement) en raison de la petite taille des grains et de sa forme globulaire. De plus, le raffinement du grain étend de façon significative la plage de fraction solide permettant une bonne rhéoformabilité, soit de 42%-48% pour l’alliage de base à 42%-55% pour l’alliage raffiné.