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

Résumé

Le moulage sous haute pression (HPDC) est largement utilisé dans l'industrie automobile en raison de sa capacité à produire en masse des pièces complexes en aluminium à parois minces, y compris de grands composants structurels fabriqués à partir d'alliages spécialisés. Cependant, les vitesses de solidification rapides impliqués dans ce procédé entraînent une micro-ségrégation localisée des éléments d'alliage. L'analyse de la microstructure a révélé que la fraction eutectique Al-Si s'écarte des prédictions obtenues avec les modèles de solidification les plus couramment utilisés (équilibre et de Scheil). De plus, la taille et la complexité des pièces coulées, associées à la compréhension actuelle du processus de solidification rapide, limitent le contrôle de la microstructure. En particulier, l'écoulement rapide et turbulent de la matière pendant le remplissage entraîne la formation de variantes distinctes de la microstructure de surface, souvent visibles au sein d'une même pièce. Premièrement, pour traiter la déviation de la fraction eutectique, nous proposons une équation de Scheil modifiée. Ce modèle actualisé incorpore des coefficients de partition dépendant de la vitesse du front de solidification de la phase primaire, offrant ainsi une représentation plus précise du comportement de la microségrégation et de la fraction eutectique. La microstructure a été caractérisée à l'aide de la microscopie optique sur des spécimens représentatifs, ce qui a permis d’évaluer proportion d’eutectique des composants. La fraction eutectique moyenne de ces échantillons a ensuite été utilisée pour étalonner le modèle proposé. Les résultats indiquent que la vitesse du front de solidification influence de manière significative la fraction du constituant primaire. De plus, l'analyse par microscopie optique suggère que l'exclusion des constituants se solidifiant en dehors de la cavité du moule des calculs de fraction de phase conduit à une évaluation plus précise de la fraction eutectique. L'intégration de cette relation de Scheil modifiée dans les simulations de solidification pourrait permettre d'améliorer les capacités à prédire la microstructure des matériaux pour le HPDC. Deuxièmement, étant donné que la ductilité en flexion est un indicateur de performance clé pour les pièces moulées à haute intégrité, et qu'elle est généralement influencée par la microstructure proche de la surface, cette étude vise à caractériser les variations de microstructure observées dans les échantillons d'aluminium moulés sous pression, à évaluer leur impact sur le comportement local en pliage et à comprendre leurs conditions de formation. Les variations de la microstructure ont été caractérisées à l'aide de la microscopie optique sur des spécimens représentatifs, qui ont révélé des variantes distinctes de la microstructure de surface. Des échantillons présentant chacune des variantes de microstructure de surface identifiées ont été soumis à des essais de flexion VDA afin d'évaluer leurs performances mécaniques. Les essais mécaniques ont démontré que les variantes de la microstructure sous la surface affectent effectivement le comportement en pliage. Ces résultats soulignent l'importance d'une compréhension plus approfondie des mécanismes impliqués dans le processus de remplissage et de solidification rapide, ce qui pourrait conduire à des améliorations dans les pratiques de conception des moules. En outre, ces connaissances pourraient permettre de contrôler la formation et distribution des constituants de la microstructure ainsi que d'améliorer l'homogénéité globale des propriétés mécaniques des composants produits par moulage haute pression (HPDC).

High-pressure die casting (HPDC) is widely used in the automobile industry due to its ability to mass-produce complex aluminum parts, including large thin-walled structural components made from specialized alloys. However, the rapid solidification rates involved in this process result in localized microsegregation of alloying elements. Microstructural analysis reveals that the Al-Si eutectic fraction deviates from predictions made by traditional equilibrium and Scheil models. Furthermore, the size and complexity of the castings, coupled with the current understanding of the rapid solidification process, limit the control over the microstructure. Specifically, the fast, turbulent material flow during filling leads to the formation of distinct subsurface microstructure variants, often visible within a single casting. Firstly, to address the deviation in eutectic fraction, we propose a modified Scheil equation. This updated model incorporates velocity-dependent partition coefficients at the solidification front, offering a more accurate representation of both microsegregation behavior and the eutectic fraction. Secondly, given that bending ductility is a key performance indicator for high-integrity castings, and is typically influenced by near-surface microstructure, this study aims to characterize the observed microstructure variations in die-cast aluminum specimens and evaluate their impact on local bending behavior. Microstructure variations were characterized using optical microscopy on representative, small-scale die-cast specimens, which revealed distinct subsurface microstructure variants. The average eutectic fraction of these specimens was then used to calibrate the proposed model. Samples from regions exhibiting different subsurface microstructure variants underwent VDA bending tests to evaluate their mechanical performance. Optical microscopy analysis suggests that excluding constituents solidifying outside the die cavity from phase fraction calculations leads to a more accurate evaluation of the eutectic fraction. Additionally, the results indicate that melt front velocity significantly influences the volume fraction of the primary constituent. By integrating this modified Scheil relationship into solidification simulations, the capabilities of integrated computational materials engineering for HPDC can be enhanced. Mechanical testing demonstrated that subsurface microstructure variants do, indeed, affect bending behavior. These findings underscore the importance of a deeper understanding of the mechanisms involved in the filling process, which could lead to improvements in die design practices. Furthermore, this knowledge could aid in controlling microstructure formation and enhance the overall homogeneity of mechanical properties throughout HPDC components.