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Effects of rare earth metal additions on the performance of Al-Cu and Al-Si-Cu based alloys

Mahmoud Mohamed. (2018). Effects of rare earth metal additions on the performance of Al-Cu and Al-Si-Cu based alloys. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

The fossil fuel energy crisis and worldwide direction to reduce greenhouse gas emissions have triggered the attention of researchers to look for lightweight materials for energy saving applications especially in the automotive industry. High-strength, lightweight aluminum based alloys with strengths comparable to heavy materials such as stainless steel and cast iron could revolutionize the automobile industry and contribute in solving environmental concerns. However, certain limiting factors may hinder their industrial application. One of these factors is that most aluminum alloys are not able to maintain their optimum properties at temperatures above 150°C or 200 oC. Accordingly, further investigations are still required, to acquire a comprehensive understanding of the behavior of aluminum alloys in the context of elevated temperature applications. The present research study aims at investigating the effect of individual additions of Ce and La rare earth elements on improving the performance of Al-1.2Si-2.4Cu-0.4Mg-0.4Fe-0.6Mn-0.15Ti (wt.%) and Al-8.0Si-2.4Cu-0.4Mg-0.4Fe-0.6Mn-0.15Ti (wt.%) alloys, coded B0 and D0, respectively. The first phase of this work was to study the effect of 1.0 and 5.0 wt.% additions of RE (Ce/La) on the solidification behavior and microstructural characteristics of the as-cast (AC) alloys under low cooling rate conditions (0.7 oC/s). Thermal analysis (TA) and differential scanning calorimetry (DSC) were used to examine the solidification behavior of the alloys. Microstructural characteristics were examined using scanning electron microscopy/energy dispersive spectrometry (SEM/EDS) and electron probe microanalysis/wavelength dispersive spectroscopy (EPMA/WDS) techniques. The thermal analysis results revealed that the main phases observed in the investigated alloys are α-Al, α-Fe, Al-Si, Al2Cu and Q- Al5Cu2Mg8Si6 phases. The results also showed a drop in the nucleation temperature of α-Al and eutectic temperature (Al-Si) caused by the addition of RE (Ce/La); the drop was more clearly observed with the 5.0 wt.% RE (Ce/La) addition. DSC analysis revealed that addition of La or Ce leads to the appearance of exothermic peaks between the precipitation of the primary α-Al phase and the (Al–Al2Cu) eutectic reaction in the solidification and heating curves. Also, the peak corresponding to the formation of the Al2Cu phase is clearly noticeable in the base alloys (B0 and D0), becomes smaller with 1.0 wt.% RE(Ce/La), and disappears with 5.0 wt.% RE(Ce/La) additions. Microstructures revealed that two main types of RE-containing intermetallic phases were formed: a grey phase in the form of sludge, with a fixed composition Al21Ti2RE (Ce/La), and white RE-containing intermetallic phases (resulting from reaction of the RE (Ce/La) with Si, Fe, and Cu); The latter exhibited several compositions: (Al11RE (Ce/La)3(Cu,Fe)4Si2, Al4Ce3Si2, Al5La3Si2, and Al6La2(Cu,Fe)2Si) in the B0 alloys, and (ii) (Al9RE (Ce/La)4Cu2Si4 , Al2RE(Ce/La)Si ,and Al2CeSi) in the D0 alloys. Lanthanum and Ce can substitute each other. The second phase of this study focused on understanding the influence of 0.2, 0.5, 1.0 wt.% additions of RE (Ce/La) on the room temperature tensile properties of the alloys, following various heat treatment conditions: as-cast (AC), solution heat-treatment (SHT), and aging (T5, T6 and T7), with reference to the properties exhibited by the base alloys and their Sr-modified counterparts. To support the results obtained, quantitative measurements of the volume faction of intermetallic phases and Si particle characteristics were carried out for the investigated alloys. The results revealed that increasing the RE (Ce/La) addition from 0.2 to 1.0 wt.%, increases the relative amount of intermetallics formed, which are attributed to the formation of new RE-containing intermetallic compounds observed in the interdendritic regions. The RE-intermetallic phases are also observed in both the AC and T6 heat-treated samples indicating the insoluble nature of the La-intermetallic phase. As expected, the eutectic silicon particles in the as-cast Sr modified D0 alloy had fibrous morphology. While addition of 0.2 wt.% RE (Ce/La) resulted in partial modification of the eutectic silicon structure, the modification efficiency, however, depended on the addition level of RE (Ce/La). The tensile test results showed that the T6-treated alloys, whether the base alloy, the Sr-modified one, or those containing RE additions, exhibited higher (UTS) values compared to the SHT, T5, and T7 heat-treatment conditions. The solution heat-treated alloys displayed ductility values higher than those obtained for the other conditions. With respect to the effect of rare earth additions, the results indicated that the added amount of RE plays an effective role in determining the tensile properties. Alloys with low levels of Ce and La additions exhibited relatively better UTS values than those with higher RE concentrations. The results also revealed that the influence of 0.2 wt.% RE(Ce/La) on the tensile properties is more or less the same as that caused by the addition of 150 ppm Sr. The last phase of this work investigated the impact of 0.2, 0.5, 1.0 wt.% additions of RE (Ce/La) on the tensile properties of the T6-treated alloys tested at high temperature (250 oC) after 1 and 200 hrs of stabilization at 250 oC prior to testing. The fracture characteristics of the tensile-tested samples in both parallel and perpendicular directions to the tensile axis were examined, using optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM), respectively. In general, for both B0 and D0 alloys, the results showed that 200 hrs of stabilization at 250 oC produces a sharp decrease in the UTS and YS, coupled with a noticeable increase in ductility values, compared to the values obtained following one hour of stabilization at the same temperature. Regarding the effect of rare earth element additions, 0.2 wt.% Ce or La improved the UTS and YS of the B0 and D0 alloys by about 10-15 MPa following one hour of stabilization, with little or no change in the ductility. Compared to the room temperature tensile test results, alloys with higher RE (Ce/La) still maintained good strength values at 250 oC, with negligible decrease compared to those of the base alloys, following one hour of stabilization. SEM examination of the fractured surfaces of the T6-treated base alloys obtained after 200 hrs of stabilization at 250 oC revealed the presence of microvoids, and a fine, and uniformly distributed dimple structure, indicating a larger amount of plastic deformation prior to fracture especially in the B0 alloys. In the case of alloys containing 1.0 wt.% RE(Ce) the SEM fractographs, revealed considerably different characteristics, with large size dimples, rather than the uniformly distributed dimples observed in the base alloy. In addition, cleavage fracture, which considered as a characteristic of a brittle fracture, was observed. Examination of longitudinal sections beneath the fracture surface using an optical microscope showed that the damage process in the investigated alloys consists of three mixed events: (i) particle cracking (α-Fe, Si), (ii) microcrack formation and growth, and (iii) local linkage of microcracks. However, the presence of RE-containing intermetallic compounds influenced the fracture behavior of the alloys as a function of the percentage of the added RE amount. During plastic deformation, stresses are imposed by the matrix (α-Al) on the particles in the microstructures. Internal stresses may be induced on the α-Fe, eutectic silicon, and RE-containing intermetallic compounds due to inhomogeneous deformation in the alloys with RE additions.

La crise de l'énergie fossile et la direction mondiale pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, ont attiré l'attention des chercheurs sur la recherche de matériaux légers pour les applications d'économie d'énergie, en particulier dans les secteurs de l'industrie automobile. Des alliages à base d'aluminium, légers et à haute résistance, avec une résistance comparable à celle des matériaux lourds, tels que les aciers inoxydables et la fonte, pourraient révolutionner l’industrie automobile. Cependant, des facteurs majeurs limitants peuvent entraver leurs applications industrielles. L'un de ces facteurs est que la plupart des alliages d'aluminium ne sont pas capables de maintenir leurs propriétés optimales à des températures supérieures à 150 °C ou 200 °C. En conséquence, d'autres études sont encore nécessaires pour une compréhension globale du comportement des alliages d'aluminium dans le contexte des composants automobiles. La présente étude de recherche a été entreprise pour cette raison. Le projet visait à étudier l'effet de l’ajout des éléments de terres rares (Ce et La) individuellement pour améliorer les performances des alliages étudiés (B0) Al-1.2Si-2.4Cu-0.4Mg-0.4Fe-0.6Mn-0.15Ti (poids %) et (DO) Al-8,0Si-2,4Cu-0,4Mg-0,4Fe-0,6Mn-0,15Ti (% en poids). La première phase de ce travail consistait à étudier l'effet d'ajouts de 1,0 et 5,0% en poids de RE (Ce/La) sur le comportement de solidification et la caractérisation microstructurale des alliages (AC) étudiés sous faible taux de refroidissement (0,7 °C / s). Les expériences d'analyse thermique (TA) et DSC ont permis d'examiner le comportement de solidification des alliages, tandis que la caractérisation microstructurale a été réalisée à l'aide de SEM / EDS et EPMA / WDS. Les résultats de l'analyse thermique ont révélé que les principales phases observées dans les alliages étudiés sont α-Al, α-Fe, Al-Si, Al2Cu + Q. Les résultats ont également présenté une baisse des paramètres de solidification, y compris les températures de nucléation (α-Al) et la température eutectique (Al-Si) est causée par l'ajout de RE (Ce / La), la baisse est plus nette avec l'ajout de 5,0 wt % de 1,0% en poids de RE (Ce / La). DSC a révélé que l'addition de métaux RE (La ou Ce) conduit à l'apparition de pics exothermiques dans les courbes de solidification et de chauffage entre la précipitation de la phase primaire α-Al et la réaction eutectique (Al-Al2Cu). De plus, les résultats de DSC montrent que dans ce cas, le pic correspondant à la phase Al2Cu est clairement perceptible dans les alliages de base et devient très réduit avec 1,0% en poids de RE (Ce / La), et disparaît avec 5,0% en poids de RE La) ajouts. Les résultats de la microstructure ont révélé que deux types principaux d'intermétalliques contenant des ER ont été documentés: une phase grise sous la forme de boue avec une composition fixe (Al21Ti2RE (Ce / La)). En outre, RE (Ce / La) réagirait avec Si, Fe et Cu conduisant à la formation de phase intermétallique contenant du RE blanc avec plusieurs compositions: (i) Alliage B0 (Al11RE (Ce / La) 3 (Cu, Fe) 4Si2, Al4Ce3Si2, Al5La3Si2 et Al6La2 (Cu, Fe) 2Si); (ii) un alliage D0 (Al9RE (Ce / La) 4Cu2Si4, Al2RE (Ce / La) Si et Al2CeSi). Lanthane et Ce peuvent se remplacer. La seconde phase de l’étude a consisté à comprendre l'influence de l’ajout de 0,2 de 0,5 et 1,0% en poids de RE (Ce / La) sur les propriétés de traction des alliages testés à température ambiante, suivant diverses conditions de traitement thermique: AC) et solution traitée thermiquement (SHT). Les traitements de vieillissement (T5, T6 et T7) en référencent aux propriétés mécaniques présentées par les alliages de base et leurs équivalents modifiés par Sr ont également été considérés. Pour soutenir les résultats obtenus, l'analyse quantitative des phases secondaires et la mesure des particules de Si pour les alliages Al-Si-Cu (D0) ont été analysées pour les alliages étudiés. Les résultats ont révélé que lorsque l'addition de RE (Ce / La) augmente de 0,2 à 1,0% en poids, les quantités relatives d'intermétalliques augmentent, ce qui est attribué à la formation de nouveaux composés intermétalliques contenant des RE qui sont observés dans les régions interdendritiques. Les phases RE-intermétalliques sont également observées dans les échantillons traités thermiquement AC et T6 indiquant la nature insoluble de la phase La-intermétallique. Comme attendu, dans l'alliage D0 modifié de Sr moulé a montré la morphologie fibreuse du silicium eutectique. Alors que l'addition de 0,2% en poids de RE (Ce / La) a entraîné une modification partielle de la structure du silicium eutectique. L'efficacité de la modification, cependant, dépend du niveau d'addition de RE (Ce / La). Les résultats des essais de traction ont montré que pour tous les alliages, que ce soit l'alliage de base, le Sr modifié ou ceux contenant des ajouts de RE, les alliages T6 traités thermiquement présentent des valeurs élevées (UTS) par rapport aux SHT, T5 et T7 conditions de traitement. Les alliages traités thermiquement en solution présentent des valeurs de ductilité supérieures à celles obtenues dans les autres conditions. En ce qui concerne l'effet des ajouts de terres rares, les résultats ont indiqué que le niveau utilisé de RE joue un rôle efficace dans la détermination de l'influence de La et Ce sur les propriétés de traction de l'alliage. Les alliages présentant de faibles niveaux d'additions de Ce et de La présentent des valeurs UTS relativement meilleures, qui tendent à diminuer avec une concentration de RE plus élevée. Les résultats ont également conclu que l'influence de 0,2% en poids de RE (Ce / La) sur les propriétés de traction est plus ou moins la même que celle provoquée par l'addition de 150 ppm de Sr. La dernière phase de ce travail était axée sur l'étude de l'impact de l’ajout de 0,2 de 0,5 et 1,0% en poids de RE (Ce / La) sur les propriétés de traction des alliages traités au T6 à haute température (250 oC) après 1 et 200 heures de stabilisation à 250 oC avant les essais. En plus d'étudier les caractéristiques de rupture des échantillons testés en traction dans les directions parallèle et perpendiculaire à l'axe de traction en utilisant la microscopie électronique à balayage (SEM) et la microscopie optique (OM), respectivement. En général, pour les deux alliages B0 et D0, les résultats ont montré que 200 heures de stabilisation à 250 °C entraînent une forte diminution de l'UTS et du YS, couplée à une forte augmentation de la ductilité par rapport aux valeurs obtenues après une heure de stabilisation à même temperature. En ce qui concerne l'effet des ajouts de terres rares, semblable aux résultats de la température ambiante, 0,2% en poids. % Ce ou l’améliore l'UTS et YS de l'alliage B0 et D0 d'environ 10-15 MPa après une stabilisation d'une heure, avec peu ou pas de changement dans la ductilité. Comparer aux résultats des tests de traction à température ambiante, les alliages à RE plus élevé (Ce / La) conservant de bonnes propriétés de résistance à haute température avec une diminution négligeable comparable à celle des alliages de base, après une stabilisation d'une heure. L'examen au MEB des surfaces fracturées des alliages de base traités à T6 obtenus après 200 h de stabilisation à 250 °C a révélé la présence d'une microvoid, une structure de fossettes fine et uniformément répartie, indiquant une plus grande déformation plastique avant la fracture, en particulier les alliages B0. Dans le cas des alliages renfermant 1,0% en poids de RE (Ce), les fractographes au MEB ont révélé des caractéristiques considérablement différentes avec une grande taille de fossettes, plutôt que des fossettes distribuées uniformes observées dans l'alliage de base. En outre, une fracture de clivage, considérée comme une caractéristique d'une fracture fragile, a été observée. Le résumé des résultats de fractographie au microscope optique a montré que le processus de dommages des alliages étudiés se compose de trois événements mixtes: (i) fissuration des particules (α-Fe, Si), (ii) la formation et la croissance des microfissures, et (iii) microfissures. Cependant, la présence de composés intermétalliques contenant du RE influence le comportement à la rupture des alliages en fonction du pourcentage de RE ajouté. Lors de la déformation plastique, des contraintes sont imposées par la matrice (α-Al) sur les particules dans les microstructures. Des contraintes internes peuvent être induites sur les composés intermétalliques contenant de l'α-Fe, du silicium eutectique et du RE en raison d'une déformation inhomogène dans les alliages étudiés avec addition de RE.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Août 2018
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:244
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):Samuel, Fawzy Hosny
Mots-clés:Al-Cu and Al-Si-Cu alloys, fracture behavior, microstructure, Rare earth metal additions, solidification behavior, tensile properties, alliages Al-Cu et Al-Si-Cu, ajout des métaux terres rares, comportement de solidification, caractérisation de microstructure, propriétés de traction à la température ambiante et haut, fractographie, microstructural characterization, room and high temperature tensile properties, fractography
Déposé le:11 oct. 2018 08:02
Dernière modification:12 oct. 2018 01:50
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