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Development of Al–Si cast alloys for elevated-temperature applications

Jin Lanfeng. (2019). Development of Al–Si cast alloys for elevated-temperature applications. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Aluminum Silicon (Al–Si) alloys are considered as the most important alloys among aluminum cast alloys and have been widely used in many industries, especially the aerospace and automotive industries. In order to further reduce the vehicle weight and therefore reduce the greenhouse gas emission, the growing demand for lighter and stronger Al–Si alloys for elevated-temperature applications has been one of many important scientific focuses in advances of conventional Al alloys. The general objective of the present study is to develop new Al–Si cast alloys that can be fabricated by conventional metallurgy route, through appropriate heat treatment to enhance their elevated-temperature (250 °C-350 °C) properties. This often necessitates the introduction of new alloy elements and subsequent optimization of alloy compositions. Hence, the influence of Mo and Mn elements on the microstructure and mechanical properties at both ambient and elevated temperatures in Al-6 wt.%Si-3.5 wt.% Cu 319 and Al-13 wt.% Si piston alloys were investigated in the present work. For microstructure study, transmission electron microscope, scanning electron microscope and optical microscope equipped with an image analysis system were used. The mechanical properties at ambient temperature were evaluated by Vickers microhardness measurements and compression yield strength tests. The elevated-temperature mechanical properties and creep properties were assessed by compression yield strength tests and creep tests at 300oC. The results obtained were divided into following three parts. In the first part, the precipitation and preferential selection of Fe-rich intermetallics in Al–Si–Cu 319 cast alloys with two Fe contents (0.3 and 0.7 wt.%) and various Mo contents (0-0.4 wt.%) were investigated. The results showed that two types of platelet β-Fe (defined as eutectic β-Fe and pre-eutectic β-Fe) and α-Fe can precipitate depending on the alloy compositions, such as the Fe and Mo contents. Generally, the addition of Mo promotes the formation of α-Fe instead of β-Fe. However, its effect on the phase competition between β-Fe and α-Fe is greatly related to the Fe content. In alloys with low Fe content (0.3 wt.%), an addition of 0.37 wt.% Mo can promote the complete precipitation of α-Fe and suppress the formation of eutectic β-Fe. However, in alloys with high Fe content (0.7 wt.%), only the pre-eutectic β-Fe amount decreases with increasing Mo addition, leaving the eutectic β-Fe almost unchanged. On the other hand, both pre-eutectic β-Fe and eutectic β-Fe can be fully suppressed with a combined addition of Mn (0.24 wt.%) and Mo (0.4 wt.%). Compared with Mn, Mo exhibits a stronger effect on the promotion of α-Fe. The combined addition of Mn and Mo can achieve better modifications of both pre-eutectic and eutectic β-Fe in 319 alloys with high Fe content. In the second part, the effects of Mo and Mn additions on the evolution of dispersoids during various heat treatment conditions were investigated in 319 cast alloys. Furthermore, their effects on yield strength and creep resistance at elevated temperature (300 oC) were studied. The results showed that the additions of Mo or/and Mn can greatly improve the precipitation the dispersoids during heat treatment, while 500 oC /8h was found to be the optimal heat treatment condition characterized with the largest quantity and the smallest size of α-dispersoids. This was also confirmed by the improved yield strength at both room temperature and 300 oC. Meanwhile, the creep resistance at 300 oC was greatly improved due to the Mn and Mo additions, with doubled threshold stress (from 10.6 to 22.8 MPa) and 50 times lower minimum creep rate (from 5.5E-7 s-1 to 1.1E-8 s-1). During the long-time exposure at 300 oC service temperature up to 1000 h, the decrease rate of elevated-temperature properties is much slower due to the presence of dispersoids from the Mn or/and Mo additions, which is 10% decrease in yield strength and 5% increase in the maximum creep strain in alloys with combined additions of Mn and Mo compared with 47% and 30% in base alloy free of Mn and Mo, respectively, showing the superior thermal stability of Al–Si–Cu 319 alloys with Mn and Mo additions and then widening their applications at elevated temperature. In the third part, the precipitation of dispersoids by Mo additions in a Mn-containing Al-13 wt.% Si piston alloy was studied by characterization of the dispersoid zone and dispersoid free zone during heat treatment using optical, scanning electron and transmission electron microscopes. The influence of the Mo addition and its dispersoids on the yield strength and creep resistance at 300 oC was investigated. The evolution of microstructure, yield strength and creep resistance during prolonged thermal exposure at 300 oC up to 1000 h were also studied. Results showed that compared with the individual Mn-containing base alloy, Mo can further enhance the precipitation of α-dispersoids by expanding dispersoid zone and restricting the dispersoid free zone after the precipitation treatment at 520 oC for 12 h, resulting in a remarkable improvement of yield strength at both room temperature and 300 oC as well as the creep resistance at 300 oC. The beneficial effect of the Mo addition on the improved yield strength and creep resistance is especially prominent during the long-term thermal exposure at 300 oC due to the presence of thermally stable dispersoids and the retardation of the fragmentation and spheroidization of Si particles.

Les alliages aluminium-silicium (Al-Si) sont considérés comme les alliages les plus importants parmi les alliages d'aluminium moulés. A ce propos, ces alliages sont largement utilisés dans de nombreux secteurs, notamment les industries de l'aérospatiale et de l'automobile. A ce sujet, l’utilisation de cet alliage permet de réduire d’avantage le poids du véhicule, ce qui a la réduction des émissions de gaz à effet de serre. La demande croissante d'alliages Al-Si plus légers et plus résistants pour les applications à température élevée a été l'un des nombreux objectifs scientifiques importants dans les progrès des alliages d'aluminium conventionnels. L’objectif général de la présente étude est de développer de nouveaux alliages de fonderie Al-Si pouvant être fabriqués par la métallurgie conventionnelle tout en appliquant un traitement thermique approprié, afin d’améliorer leurs propriétés de température élevée (250 °C-350 °C). Cela nécessite souvent l'introduction de nouveaux éléments d'alliage et l'optimisation ultérieure des compositions d'alliage. Ainsi, l’influence des éléments Mo et Mn sur la microstructure et les propriétés mécaniques à la fois à température ambiante et à température élevée dans les alliages de piston à 319 et Al-13% Si ont été étudiés. Pour l'étude de la microstructure, un microscope électronique à transmission, un microscope électronique à balayage et un microscope optique équipés d'un système d'analyse d'image ont été utilisés. Les propriétés mécaniques à la température ambiante ont été évaluées par des mesures de microdureté Vickers et des tests de résistance à la compression. Les propriétés mécaniques et les propriétés de fluage à température élevée ont été évaluées par des tests de résistance à la compression et des tests de fluage à température élevée. Les résultats obtenus ont été divisés en trois parties. Dans la première partie, la précipitation et la sélection préférentielle des composés intermétalliques riches en Fe dans les alliages Al–Si–Cu 319 avec deux teneurs en Fe (0,3 et 0,7% en poids) et diverses teneurs en Mo (0-0,4% en poids) ont été étudiées. Les résultats ont montré que deux types de plaquettes β-Fe (définis comme eutectiques β-Fe et pré-eutectiques β-Fe) et α-Fe peuvent précipiter en fonction des compositions d'alliage, telles que les teneurs en Fe et Mo. En général, l'ajout de Mo favorise la formation de α-Fe au lieu de β-Fe. Cependant, son effet sur la compétition de phase entre β-Fe et α-Fe est fortement lié à la teneur en Fe. Dans les alliages à faible teneur en Fe (0,3%), une addition de 0,37% de Mo peut favoriser la précipitation complète de l'α-Fe et supprimer la formation de β-Fe eutectique. Pourtant, dans les alliages à teneur élevée en Fe (0,7%), seule la quantité de β-Fe pré-eutectique diminue avec l’augmentation de l’ajout de Mo, laissant le β-Fe eutectique presque inchangé. La β-Fe pré-eutectique et la β-Fe eutectique peuvent être complètement supprimées avec une addition combinée de Mn (0,24%) et de Mo (0,4%). Comparé au Mn, le Mo exerce un effet plus marqué sur la précipitation de l'α-Fe. L'addition combinée de Mn et de Mo peut permettre d’avoir de meilleures modifications des β-Fe pré-eutectiques et eutectiques dans les alliages 319 à haute teneur en Fe. Dans la deuxième partie, les effets d'alliages d'additions de Mo et de Mn sur l'évolution des dispersoïdes au cours de diverses conditions de traitement thermique ont été étudiés dans 319 alliages moulés. De plus, leurs effets sur la YS (limite d'élasticité) et la résistance au fluage à température élevée (300 °C) ont été étudiés. Les résultats ont montré que Mo et la combinaison de Mo et de Mn peuvent grandement améliorer la précipitation des dispersoïdes lors du traitement thermique. Le traitement thermique 500 oC/8h était la condition optimale caractérisée par la plus grande quantité et la plus petite taille de α-dispersoïdes. Cela était confirmée par la limite d'élasticité améliorée à la température ambiante et également pour la température de 300 °C. En parallèle, la résistance au fluage à 300 °C a été grandement améliorée grâce aux ajouts de Mn et de Mo, avec une contrainte de seuil doublée (de 10,6 à 22,8 MPa) et un taux de fluage minimum 50 fois plus bas (de 5,5 E-7 s-1 à 1,1 E-8 s-1). Lors d'une exposition prolongée à une température de 300 °C jusqu'à 1000 h, le taux de diminution des propriétés à température élevée est beaucoup plus lent en raison de la présence de dispersoïdes provenant des ajouts de Mn ou/et de Mo. A ce sujet, la présence de dispersoïdes a causé une diminution de 10% de la limite d'élasticité et une augmentation de 5% de la déformation maximale au fluage dans les alliages avec des ajouts combinés de Mn et Mo comparés à 47% et 30% dans un alliage de base dépourvu de Mn et de Mo respectivement. Cela montrait une stabilité thermique supérieure des alliages Al–Si–Cu 319 avec des additions de Mn et de Mo, puis en élargissant leurs applications à température élevée. Dans la troisième partie, la précipitation de dispersoïdes par addition de Mo dans un alliage piston à 13% de Si contenant Mn a été étudiée par caractérisation de la zone dispersoïde et de la zone exempte de dispersoïde lors du traitement thermique à l'aide de microscopes optiques, à balayage et à transmission. L'influence de l'addition de Mo et de ses dispersoïdes sur la limite d'élasticité et la résistance au fluage à 300 °C a été étudiée. L'évolution de la microstructure, de la limite d'élasticité et de la résistance au fluage au cours d'une exposition thermique prolongée de 300 °C à 1000 h ont également été étudiés. Les résultats ont montré que, comparé à l'alliage basique ne contenant que du Mn, le Mo peut encore améliorer la précipitation des α-dispersoïdes en agrandissant la zone dispersoïde et en limitant la zone exempte de dispersoïde après le traitement par précipitation à 520 oC pendant 12 h, entraînant une amélioration remarquable du rendement de la résistance à la température ambiante et à 300 °C ainsi que la résistance au fluage à 300 °C. L'effet bénéfique de l'addition de Mo sur l'amélioration de la limite d'élasticité et de la résistance au fluage est particulièrement important pendant l'exposition thermique à long terme à 300 °C, en raison de la présence de dispersoïdes thermiquement stables et du retard de la fragmentation et de la sphéroïdisation des particules de Si.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2019
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:154
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
Liu, Kun
Mots-clés:Al-Si, cast alloy, elevated-temperature, Fe intermetallics, thermal stability
Déposé le:24 sept. 2019 15:22
Dernière modification:25 sept. 2019 00:20
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