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

Résumé

La demande croissante de matériaux légers dans les industries de haute technologie a accéléré l’adoption des alliages d’aluminium dans les procédés de fusion sélective par laser (SLM), notamment pour les applications nécessitant des géométries complexes. Les alliages couramment utilisés, tels que l’AlSi10Mg et l’AlSi12, offrent une bonne aptitude au procédé, mais présentent des limitations quant à l’amélioration des propriétés mécaniques après la SLM et les traitements thermiques. En revanche, les alliages d’aluminium à haute résistance présentent une faible aptitude au procédé SLM, ce qui constitue un obstacle à leur large adoption industrielle. Cette étude explore la production d’alliages d’aluminium par le procédé SLM, avec pour objectif de dépasser les propriétés mécaniques des alliages conventionnels comme l’AlSi10Mg. La recherche s’est concentrée sur la conception des matériaux, l’optimisation des paramètres SLM, la caractérisation de la microstructure et l’évolution des propriétés mécaniques. Elle est présentée en trois parties, comme décrit ci-dessous. Dans la première partie, les effets de divers traitements thermiques sur les propriétés mécaniques et l’évolution microstructurale d’un alliage AlSi10MgMn contenant 0,5 % en poids de Mn, produit par SLM, ont été étudiés. La microstructure a été analysée par microscopie optique, microscopie électronique à balayage (SEM), diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) et microscopie électronique en transmission (TEM). À l’état brut de fabrication (F), l’alliage présentait une résistance ultime à la traction (UTS) de 486 MPa, une limite d’élasticité (YS) de 299 MPa et un allongement de 10,3 %. Après un traitement T5, l’UTS et le YS ont augmenté à 532 MPa et 386 MPa, respectivement, soit une amélioration remarquable de 30 % du YS par rapport à l’état F. Ces propriétés dépassaient largement celles des alliages AlSi10Mg conventionnels dans les conditions F, T5 et T6. Le traitement T5 a favorisé la précipitation de nanoparticules riches en Si et de précipités à base de MgSi sans perturber le réseau riche en Si. Après un traitement T6, ce réseau a complètement disparu, et la phase de renforcement principale était constituée de précipités à base de MgSi et de dispersoïdes α-Al(Mn,Fe)Si induits par l’ajout de Mn. À l’aide de modèles constitutifs basés sur la microstructure, les contributions des différents composants microstructuraux à la résistance mécanique ont été analysées. Dans la deuxième partie, l’effet de la modification par le Mn sur les alliages AlSi10Mg produits par SLM a été évalué. Les microstructures dans différentes conditions de traitement thermique ont été analysées par SEM, EBSD, TEM et tomographie par sonde atomique (APT). L’ajout de 0,5 % en poids de Mn a permis d’augmenter la limite d’élasticité (YS) de 17 %, 30 % et 29 % dans les conditions F, T5 et T6, respectivement, par rapport à l’alliage AlSi10Mg standard. Ces améliorations ont été principalement attribuées à une densité accrue de nanoparticules dans les états F et T5, ainsi qu’à l’introduction de la phase α-Al(Mn,Fe)Si, qui modifie la composition chimique du réseau eutectique riche en Si, améliorant ainsi les propriétés mécaniques globales. Dans la troisième partie, l’impact des additions de raffineurs de grains TiB sur l’évolution microstructurale, la susceptibilité à la fissuration à chaud et les propriétés mécaniques des alliages Al-Cu 224 a été examiné afin d’améliorer leurs performances en SLM. Une méthode de refusion laser de surface (LSR) a simulé la solidification rapide par laser. Les résultats ont révélé que l’addition de particules TiB2 a éliminé les fissures de solidification, réduisant les tailles de grains de 13-15 μm à 5,5 μm et 3,2 μm avec 0,34 % et 0,65 % en poids de Ti, respectivement. La dureté des alliages modifiés a atteint 117 et 130 HV après un traitement T6, surpassant celle des alliages AlSi10Mg de 15 à 30 %. Cette amélioration est attribuée à la formation de grains fins et de précipités nanométriques θˊ/θ ̋. Cette recherche met en évidence le potentiel des modifications par Mn et TiB pour optimiser les propriétés mécaniques et la processabilité des alliages d’aluminium dans les applications SLM, offrant des solutions prometteuses aux défis associés aux alliages à haute résistance.

The increasing demand for lightweight materials in high-tech industries has accelerated the adoption of aluminum alloys in Selective Laser Melting (SLM) processes, particularly for applications requiring complex geometries. Commonly used alloys, such as AlSi10Mg and AlSi12, offer good processability but face limitations in achieving higher mechanical properties after SLM and heat treatments. In contrast, high-strength aluminum alloys exhibit low processability in SLM, presenting a challenge for their widespread industrial applications. This study explores the production of aluminum alloys via the SLM process, aiming to surpass the mechanical properties of conventional AlSi10Mg alloys. The research focused on material design, SLM parameter optimization, microstructure characterization, and the evolution of mechanical properties. It is presented in three parts as outlined below. In the first part, the effects of various post-heat treatments on the mechanical properties and microstructure evolution of an AlSi10MgMn alloy containing 0.5 wt.% Mn produced by the SLM process were investigated. The microstructure of the samples was analyzed using optical microscopy, scanning electron microscopy, electron backscatter diffraction, and transmission electron microscopy. In the as-manufactured (F) condition, the alloy exhibited an ultimate tensile strength (UTS) of 486 MPa, a yield strength (YS) of 299 MPa, and an elongation of 10.3%. After a T5 treatment, the UTS and YS increased to 532 MPa and 386 MPa, respectively, resulting in a remarkable 30% improvement in YS compared to the F state. These properties were considerably higher than those reported for conventional AlSi10Mg alloys in the F, T5, and T6 conditions. The T5 treatment promoted the precipitation of a large fraction of Si-rich nanoparticles and MgSi-based precipitates without disrupting the Si-rich network. After a T6 treatment, the Si-rich network completely disappeared, and the main strengthening phase was MgSi-based precipitates accompanied by α-Al(Mn,Fe)Si dispersoids induced by the Mn addition. Using microstructure-based constitutive models, the strengthening contributions of various microstructural components to mechanical strength in different processing conditions were analyzed. In the second part, the effect of Mn modification on AlSi10Mg alloys produced by the SLM process was assessed. The microstructures in different heat treatment conditions were analyzed using optical microscopy, scanning electron microscopy, electron backscatter diffraction, transmission electron microscopy, and atom probe tomography. The investigation revealed that compared to a standard AlSi10Mg alloy, an alloy with a 0.5 wt% Mn addition exhibited yield strength (YS) increases of 17%, 30%, and 29% in the as-manufactured (F), T5, and T6 heat treatment conditions, respectively. The study attributed these enhancements mostly to the increased number density of nanoprecipitates in the F and T5 conditions. Moreover, the improvement in YS under the F and T5 conditions was attributed to the introduction of the α-Al(Mn,Fe)Si phase, which alters the Si-rich eutectic network by modifying its chemical composition, thereby enhancing the overall mechanical properties. After a T6 heat treatment, the Si-rich eutectic network completely disappeared in both alloys, but α-Al(Mn, Fe)Si dispersoids provided an extra strengthening contribution in the Mn-modified alloy. This research highlights the potential of Mn modification to optimize the mechanical properties of AlSi10Mg alloys fabricated via SLM, offering significant benefits for the design and application of high-strength, lightweight aluminum alloys. In the third part, the impact of TiB grain refiner additions on the microstructural evolution, hot tearing susceptibility, and mechanical properties of Al-Cu 224 alloys was examined to enhance their processing performance in the SLM process. A simple laser surface remelting method (LSR) was utilized to simulate the laser-based rapid solidification. The results revealed that the addition of appropriate amounts of TiB grain refiner could completely eliminate the solidification cracks during the LSR. The introduction of TiB2 particles in the melt pools through the TiB grain refiner changed the grain morphology from a coarse columnar to a fine equiaxed structure, and the grain sizes were reduced from 13-15 μm in the base alloys to 5.5 μm and 3.2 μm in the alloys with 0.34 wt% Ti (B-3TiB) and 0.65 wt% Ti (ZV-6TiB) additions, respectively. The hardness values of the modified B-3TiB and ZV-6TiB alloys reached 117 and 130 HV after a T6 heat treatment, which surpassed the hardness of conventional AlSi10Mg alloys by at least 15-30%. This improvement was attributed to the finer grains and to nanoscale θˊ/θ ̋ precipitation. The results demonstrate that the TiB grain refiner addition can significantly improve the processability and mechanical properties of Al-Cu 224 alloys for SLM applications, offering a promising solution to the challenge of high hot tearing susceptibility in high-strength aluminum alloys.