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

Résumé

With the development of the green economy, there is a growing demand for lightweight aluminum (Al) alloys exhibiting superior mechanical behavior at elevated temperatures. Nevertheless, the mechanical properties of conventional Al alloys often suffer significant deterioration at high temperatures due to coarsened precipitates and inherent alloy characteristics. The advent of entropy alloys has introduced novel design strategies for conventional alloys. By integrating the concept of entropy into the potential development of Al alloys, Al-based entropy alloys are proposed as promising materials for achieving both lightweight and high-strength properties. However, as emerging materials, Al-based entropy alloys have a limited development history, and research in this area is not yet systematic or sufficient. Therefore, this project aims to provide a comprehensive overview through an in-depth investigation in this field. Two series of lightweight Al-based entropy alloys have been developed for elevated-temperature (≥ 300 °C) applications. The strengthening mechanisms employed in these alloys have been further discussed. In the first part, a literature review on the Al-based entropy alloys is presented. This review provides an overview of lightweight Al-based entropy alloys, covering their developmental background, design principles, fabrication methods, microstructures, and mechanical properties, as well as alloys suitable for high-temperature applications. A comprehensive investigation of current research on Al-based entropy alloys with a density lower than 4.0 g/cm3 was conducted from 122 different alloys. The relationship between microstructure and thermodynamic parameters was analyzed. Lightweight Al-based entropy alloys could bridge the gap between conventional Al and Ti alloys in terms of mechanical properties and density. The excellent thermal stabilities of these alloys make them attractive structural materials for use at elevated temperatures. Finally, future trends in the field of lightweight Al-based entropy alloys are discussed. In the second part, the microstructural evolution and mechanical properties of five lightweight Al–Cu–Mg–Zn entropy alloys (Al85Cu5Zn5Mg5, Al74Cu10Zn8Mg8, Al93Cu4Zn1Mg1Cr1, Al84Cu10Zn3Mg2Cr1, and Al77Cu17Zn3Mg2Cr1) were investigated. The five experimental alloys revealed lightweight characteristics with density values ranging from 2.95 to 3.63 g/cm3 and multiphase features. The microstructural and phase evolutions at elevated-temperature were characterized using X-ray diffraction and optical, scanning, and transmission electron microscopy. With the increase in Cu, the volume fraction of intermetallic compounds (ICs) increased, resulting in an improved yield strength (YS) and reduced plasticity. The GP zone and fine η’ precipitates were effective strengthening sources in fcc-Al, but they were unstable at 300 °C and transformed into coarse and submicron-sized particles. The main source of strengthening in the alloy series was the well-interconnected intermetallic compound (IC) network. Among the five alloys studied, Al77Cu17Zn3Mg2Cr1 exhibited the highest YS of 588 MPa at room temperature and retained the highest YS of 199 MPa at 300 °C after thermal exposure for 100 h. Combining its high strength and good thermal stability at 300 °C, this alloy exhibits promising potential for elevated-temperature applications. In the third part, a series of lightweight Al-based entropy alloys containing Cu, Zn, Cr, V, Ti and Fe has been designed for elevated temperature applications. The microstructure, mechanical properties at room and elevated temperatures, and the thermal stability of six entropy alloys (Al93Cu4Zn1Cr1Fe1, Al85Cu11Zn2Cr1Fe1, Al85Cu11Zn1Cr2V1, Al78Cu18Zn2Cr1Fe1, Al78Cu18Zn1Cr2Ti1, and Al78Cu18Zn1Cr2V1) were investigated. Owing to the large chemical difference and high negative enthalpy between Al and the alloying elements, the generation of a large quantity of ICs was inevitable. With increasing Cu content, the volume fraction of ICs increased significantly. The three high-Cu alloys (Al78Cu18Zn2Cr1Fe1, Al78Cu18Zn1Cr2Ti1, and Al78Cu18Zn1Cr2V1) exhibited high yield strengths of more than 200 MPa and excellent thermal stability at 300 °C. These values are considerably superior to those of most conventional aluminum alloys. The strengthening mechanisms at room and elevated temperatures have been discussed. The favorable thermal stability and good mechanical properties of the high-Cu alloys up to 450 °C indicate their significant potential for high-temperature applications. In the fourth part, the spatial distributions of various phases in three Al-based entropy alloys were investigated. A closely IC network comprising Al2Cu and Al45Cr7 phases was identified. Finite element (FE) modeling was conducted based on the reconstructed three-dimensional microstructure to simulate compressive deformation behavior. The IC network served as the main stress bearer during deformation. Thin sections in the Al2Cu network were the weak sites where stress concentration and damage first occurred. However, the breakage of this limited region contributes to relatively coordinated deformation and extended plasticity. The breakage of large particles accounts for the final alloy failure. The results of the FE model were compared with the experimentally measured stress-strain behavior and mechanical properties, showing very good agreement. Given the non-uniform distribution of strain and stress during deformation, a strengthening model, merging the Voigt and Reuss models, was also developed to predict the mechanical properties of Al-based entropy alloys with the aim of facilitating Al-based entropy alloy development.

Avec le développement de l'économie verte, la demande de alliages d'aluminium (Al) légers présentant un comportement mécanique supérieur à des températures élevées est en constante augmentation. Cependant, les propriétés mécaniques des alliages conventionnels d'Al peuvent se détériorer considérablement à des températures élevées en raison de la grossièreté des précipités et de la nature des alliages. L'émergence des alliages d'entropie a introduit de nouvelles stratégies de conception pour les alliages conventionnels. En intégrant le concept d'entropie dans le développement potentiel des alliages d'Al, les alliages d'entropie à base d'Al sont proposés comme des matériaux prometteurs pour obtenir à la fois des propriétés légères et résistantes. Cependant, en tant que matériaux émergents, les alliages d'entropie à base d'Al ont une courte période de développement et la recherche n'est pas encore systématique et suffisante. Par conséquent, ce projet vise à fournir un aperçu de ce domaine grâce à une enquête approfondie sur les études actuelles. Deux séries d'alliages d'entropie légers à base d'Al, avec des densités inférieures à 4,0 g/cm3, ont été développées pour des applications à des températures élevées (≥ 300 °C). Les mécanismes de renforcement ont également été discutés plus en détail. Dans la première partie, une revue de la littérature sur les alliages d'entropie à base d'Al est présentée. Cette revue offre un aperçu des alliages d'entropie à base d'Al légers, couvrant leur contexte de développement, les principes de conception, les méthodes de fabrication, les microstructures et les propriétés mécaniques, ainsi que les alliages adaptés aux applications à haute température. Une enquête approfondie sur la recherche actuelle sur les alliages d'entropie à base d'Al avec une densité inférieure à 4,0 g/cm3 a été menée sur 122 alliages différents. La relation entre la microstructure et les paramètres thermodynamiques a été analysée. Les alliages d'entropie à base d'Al légers pourraient combler le fossé entre les alliages d'Al conventionnels et ceux de titane en termes de propriétés mécaniques et de densité. Les excellentes stabilités thermiques de ces alliages les rendent attractifs comme matériaux structurels pour une utilisation à des températures élevées. Enfin, les tendances futures dans le domaine des alliages d'entropie à base d'Al légers sont discutées. Dans la deuxième partie, l'évolution microstructurale et les propriétés mécaniques de cinq alliages d'entropie légers Al-Cu-Mg-Zn (Al85Cu5Zn5Mg5, Al74Cu10Zn8Mg8, Al93Cu4Zn1Mg1Cr1, Al84Cu10Zn3Mg2Cr1, et Al77Cu17Zn3Mg2Cr1) ont été étudiées. Les cinq alliages expérimentaux présentaient des caractéristiques légères avec des valeurs de densité allant de 2,95 à 3,63 g/cm3 et des caractéristiques multi-phasées. Les évolutions microstructurales et de phase à des températures élevées ont été caractérisées à l'aide de diffraction des rayons X et de microscopies optique, électronique à balayage et électronique en transmission. Avec l'augmentation de la teneur en Cu, la fraction volumique des composés intermétalliques (CI) a augmenté, entraînant une limite d'élasticité améliorée et une plasticité réduite. La zone GP et les précipités fins de η' étaient des sources efficaces de renforcement dans le fcc-Al, mais ils étaient instables à 300 °C et se transformaient en particules grossières et submicroniques. La principale source de renforcement dans la série d'alliages était le réseau de CI bien interconnecté. Parmi les cinq alliages étudiés, l'Al77Cu17Zn3Mg2Cr1 présentait la limite d'élasticité la plus élevée de 588 MPa à RT et la limite d'élasticité la plus élevée de 199 MPa à 300 °C après une exposition thermique de 100 h. Compte tenu de sa haute résistance et de sa bonne stabilité thermique à 300 °C, cet alliage présente un potentiel prometteur pour des applications à des températures élevées. Dans la troisième partie, une série d'alliages d'entropie légers à base d'Al contenant Cu, Zn, Cr, V, Ti et Fe a été conçue pour des applications à haute température. La microstructure, les propriétés mécaniques à température ambiante et élevée, et la stabilité thermique de six alliages d'entropie (Al93Cu4Zn1Cr1Fe1, Al85Cu11Zn2Cr1Fe1, Al85Cu11Zn1Cr2V1, Al78Cu18Zn2Cr1Fe1, Al78Cu18Zn1Cr2Ti1, et Al78Cu18Zn1Cr2V1) ont été étudiées. En raison de la grande différence chimique et de l'enthalpie négative élevée entre Al et les éléments d'alliage, la génération d'une grande quantité de CI était inévitable. Avec l'augmentation de la teneur en Cu, la fraction volumique des CI a augmenté de manière significative. Les trois alliages à haute teneur en Cu (Al78Cu18Zn2Cr1Fe1, Al78Cu18Zn1Cr2Ti1 et Al78Cu18Zn1Cr2V1) présentaient des résistances à la limite d'élasticité de plus de 200 MPa et une excellente stabilité thermique à 300 °C. Ces valeurs sont considérablement supérieures à celles de la plupart des alliages d'Al conventionnels. Les mécanismes de renforcement à température ambiante et élevée ont été discutés. La stabilité thermique favorable et les bonnes propriétés mécaniques des alliages à haute teneur en Cu jusqu'à 450 °C indiquent leur potentiel significatif pour des applications à haute température. Dans la quatrième partie, les distributions spatiales des différentes phases dans trois alliages d'entropie à base d'Al ont été étudiées. Un réseau de CI étroit composé de phases Al2Cu et Al45Cr7 a été identifié. Une modélisation par éléments finis (FE) a été réalisée sur la base de la microstructure tridimensionnelle reconstruite pour simuler le comportement de déformation sous compression. Le réseau de CI a servi de principal support de contrainte pendant la déformation. Les sections minces dans le réseau de Al2Cu étaient les sites faibles où la concentration de contrainte et les dommages se produisaient en premier. Cependant, la rupture de cette région limitée contribue à une déformation relativement coordonnée et à une plasticité étendue. La rupture de grosses particules explique la défaillance finale de l'alliage. Les résultats du modèle FE ont été comparés au comportement contrainte-déformation mesuré expérimentalement et aux propriétés mécaniques, montrant un très bon accord. Étant donné la distribution non uniforme de la déformation et de la contrainte pendant la déformation, un modèle de renforcement, combinant les modèles Voigt et Reuss, a également été développé pour prédire les propriétés mécaniques des alliages d'entropie à base d'Al dans le but de faciliter le développement des alliages d'entropie à base d'Al.