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Effects of grain refining and modification on the microstructural evolution of semi-solid 356 alloy = Effets de l'affinage des grains et de la modification sur l'évolution microstructurale de l'alliage 356 semi-solide

Nafisi Shahrooz. (2006). Effects of grain refining and modification on the microstructural evolution of semi-solid 356 alloy = Effets de l'affinage des grains et de la modification sur l'évolution microstructurale de l'alliage 356 semi-solide. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Le traitement à l'état semi-solide des métaux (SSM) gagne du terrain en tant qu'alternative efficace aux procédés traditionnels de fabrication que sont la coulée et le forgeage. Ce développement tire profit des procédés de mise en forme liquide et solide. En l'absence d'effort de cisaillement, la masse semi-solide est semblable à un solide, autoporteur, alors qu'avec l'application d'effort de cisaillement, la viscosité est sensiblement réduite et le matériau coule comme un liquide; thixotrope-« caractéristique double où la billette possède des caractéristiques du solide, mais coule comme un liquide sous l'effort de cisaillement ».

Pour ce qui est du traitement SSM des alliages Al-Si, il existe deux caractéristiques des microstructures qui influencent les propriétés du produit fini, soit la taille et la morphologie de la phase a-Al primaire et le mélange eutectique, qui est constitué principalement de silicium.

L'objectif de la présente étude était d'étudier les effets de l'inoculation et de la modification, individuellement ou en combinaison, sur l'évolution des microstructures du groupe d'alliages Al-7%Si en portant une attention particulière aux alliages 356 pour deux procédés différents, soit le conventionnel et le « rhéomoulage » suivant le procédure brevetée de l'Alcan, la Swirled Enthalpy Equilibration Device, soit la technologie SEED.

Un alliage binaire et deux alliages commerciaux A17%Si ont été utilisés tout au long du plan de recherche. Après la préparation du métal liquide, différents alliages mère, selon l'objectif, ont été ajoutés au liquide et l'alliage ainsi préparé a été versé et examiné à l'aide de deux montages différents afin d'obtenir une corrélation et d'identifier les différences entre les procédés conventionnel et SSM. Plusieurs techniques ont été utilisées afin de caractériser le matériau obtenu. Ces techniques incluent l'analyse thermique, la microscopie optique, la métallographie quantitative à l'aide de la technique d'analyse d'images, la microscopie électronique à balayage, l'analyse par microsonde, la cartographie par rayons X et les tests rhéologiques à l'aide d'un appareil de compression à plaques parallèles.

En se basant sur le traitement SSM, on propose qu'il soit également essentiel de procéder à un partitionnement de l'intervalle de solidification. Ainsi, l'intervalle de solidification pourrait être divisé en deux intervalles principaux, soit l'intervalle de températures pour la fondation et la croissance des dendrites a-Ai (ATa) et / ou des composés intermétalliques du fer, et l'intervalle de températures pour l'eutectique principal Al-Si et les réactions eutectiques secondaires, incluant la formation de MgiSi et / ou de composés de fer. Dans ce contexte-ci, 3'accent est placé principalement sur l'intervalle de solidification a-Al puisqu'il est d'importance capitale pour la science du traitement SSM.

Les résultats d'agents d'affinage du grain ont démontré que, généralement, les agents d'affinage augmentent le pourcentage a-Al en raison du décalage de la courbe de refroidissement vers le haut et, par conséquent, on pourrait obtenir un plus grand intervalle de solidification a-Al. Du point de vue SSM, une plus grande zone pâteuse a- Al donne une plus grande flexibilité pour la production de la pâte semi solide et son contrôle. Toutefois des questions secondaires comme les risques de déchirement à chaud, de formation de porosités et de ségrégation pourraient être considérées. La métallographie quantitative effectuée sur les échantillons préparés à partir de billettes démontre que l'affinage conduit à une augmentation du pourcentage a-Al et, en raison du plus grand nombre de sites de germination efficaces par surface unitaire, la taille des globules diminue. L'amélioration de la sphéricité et la diminution de la taille des globules sont les avantages principaux procurés par l'ajout d'agents d'affinage. Quelques tests rhéologiques ont prouvé que des particules plus petites et plus rondes mènent à une meilleure coulabilité de la pâte semi-solide. Il a été démontré que l'ajout d'un peu de Sr, entre 150-200 ppm, suffit pour changer la morphologie du silicium de floconnée à fibreuse dans les deux procédés. Par modification, l'intervalle de solidification a-Al augmente en raison de la diminution de la température de la réaction eutectique principale et, ce qui est intéressant, en considérant un intervalle de solidification constant, l'intervalle de solidification eutectique diminue. Par contraste avec les échantillons raffinés SEED, par modification, le diamètre moyen des globules augmente, mais le pourcentage plus élevé de sphéricité est l'un des avantages principaux de l'ajout de Sr. Il a été suggéré qu'une diminution de la tension superficielle à l'aide de Sr est la raison principale pour une globularité plus élevée. En diminuant la tension superficielle, la mouillabilité des particules par le liquide restant est améliorée, et ceci pourrait être intensifié par un écoulement plus important autour des particules a-Al, et par conséquent un meilleur façonnage conduit à des particules plus rondes.

L'augmentation de l'intervalle de solidification a-Al est plus importante avec le traitement combiné qu'avec les traitements uniques. Ceci est dû au décalage du liquidus vers des valeurs plus élevées du côté des agents d'affinage, en plus de l'avantage additionnel qu'est la diminution de la température de réaction eutectique due à la modification. Dans les billettes SEED, l'efficacité d'affinage des grains est évidente si l'on considère la diminution de la taille des globules et la formation accrue de particules primaires, alors que l'effet de la modification pourrait être détecté sous magnification plus élevée par le changement morphologique des particules de silicium de floconnées à fibreuses. D'ailleurs, des études microstructurales de SSM montrent que l'efficacité des agents d'affinage domine toujours le résultat de modification en augmentant la densité numérique des particules primaires et en diminuant leur diamètre circulaire moyen.

Des tests rhéologiques à l'aide d'un appareil de compression à plaques parallèles avec un poids mort constant ont montré que les vitesses de déformation les plus élevées et les plus basses appartenaient aux billettes affinées et aux billettes non traitées,respectivement. Il est prouvé que par l'affinage on obtient des billettes ayant de plus petites particules et une globularité plus importante et qui sont, par conséquent, mieux déformables, alors que le Sr diminue la tension superficielle du liquide et ainsi donne une meilleure déformabilité. Le traitement combiné donne les avantages supplémentaires de particules de plus petites dimensions, plus de globularité et une moindre tension de surface.

Un nouveau concept innovateur est présenté pour les mesures de fluidité en utilisant la quantité de liquide obtenue par drainage. Il a été déduit que des agents d'affinage et / ou des agents modifiants peuvent augmenter le pourcentage d'écoulement. Ceci est attribué au point de cohésion des dendrites, PCD, où les agents d'affinage et / ou les agents modifiants retardent le PCD et aussi la formation de canaux plus lisses et plus nombreux à l'intérieur de la structure semi-solide en raison du métal liquide.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2006
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:358
ISBN:1412313376
Identifiant unique:10.1522/24626025
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):Charrette, André
Ghomashchi, Reza
Mots-clés:Aluminium--Alliages--Affinage, Aluminum alloys--Refining, Aluminium--Alliages--Adjuvants, Aluminum alloys--Additives, Aluminium--Alliages--Microstructure, Aluminum alloys--Microstructure, THESE, ALLIAGE, ALUMINIUM, AL-SI, SILICIUM, AFFINAGE, GRAIN, MODIFICATION, SEMI-SOLIDE, 356
Déposé le:01 janv. 2006 12:34
Dernière modification:20 sept. 2011 15:36
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