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

Résumé

Lightweight aluminum heat exchanger components play a key role in improving vehicle fuel efficiency and lowering CO2 emissions. 1xxx and 3xxx series aluminum alloys are widely used in heat exchanger components because they offer excellent formability, good corrosion resistance, and favorable thermal conductivity. Heat exchangers are fabricated by forming the aluminum sheets and tubes into the desired geometries and assembling the components together through brazing. During the brazing process, heat exchanger components are exposed to a short period of high temperature that challenges their intrinsic grain stability. This high-temperature thermal exposure can promote recrystallization and abnormal grain growth, which significantly degrade the mechanical performance of brazed components. Sc containing precipitates are highly effective in regulating recovery, recrystallization, and grain growth in Al alloys, thus enhancing their grain stability during high-temperature exposure. This study aims to explore the effect of microalloying with Sc or Sc and Zr on the microstructure and property evolution of AA1xxx and AA3xxx alloys for brazed heat exchangers. It is presented in four parts as outlined below.

In the first part, a study on the impact of Sc and Zr microalloying on the microstructure stability of hot deformed 1xxx alloys subjected to post-deformation annealing from 500 to 575 ºC for 1 h to simulate brazing-type processes is presented. Four alloys were studied: namely 1xxx base, Al-0.07Sc, Al-0.07Sc-0.10Zr and Al-0.19Sc-0.15Zr alloys. Annealing at 500 ºC led to complete recrystallization in the base alloy, while higher annealing temperatures promoted abnormal grain growth. The Al-0.07Sc alloy resisted recrystallization at 500 ºC but was fully recrystallized by 550 ºC. In contrast, the Al-0.07Sc-0.10Zr alloy retained its grain stability up to 550 ºC owing to the presence of stable Al3(Sc,Zr) precipitates; however, partial recrystallization occurred at 575 ºC. The Al-0.19Sc-0.15Zr alloy preserved most of its deformed microstructure even after annealing at 575 ºC. It showed the highest recrystallization resistance among the four alloys studied owing to its highest number density and finest size of Al3(Sc,Zr) precipitates, which suggests that this alloy can be applied in even more extreme conditions including brazing temperatures above 575 ºC.

In the second part, a study focused on 1xxx extruded thin strips, using two different pre-extrusion heat-treatment routes: Route 1 (R1), involving high-temperature homogenization at 600 ºC for 4 h, and Route 2 (R2), involving pre-aging at 350 ºC for 24 h. The effects of Sc/Zr microalloying on grain structure, mechanical properties, and corrosion resistance were then systematically investigated under two different processing routes. Three alloys were examined: a 1xxx base alloy free of Sc and Zr, a low Al-Sc-Zr alloy (0.10 wt.% Sc, 0.10wt.% Zr), and a high Al-Sc-Zr alloy (0.19 wt.% Sc, 0.15 wt.% Zr). The base alloy exhibited a very coarse recrystallized grain structure after brazing at 605 ºC under both processing routes, resulting in low mechanical strengths. With Sc and Zr microalloying, the grain structure became finer and more stable, and the mechanical strengths were significantly improved. Among the three alloys studied, the high Al-Sc-Zr alloy was the only one that maintained most of the deformed grain structure after simulated brazing at 605 ºC. Those findings were further validated by extruding micro multi-port tubes and subjecting them to a simulated braze. For both routes, a post-braze aging treatment further promoted fine Al3(Sc, Zr) precipitation and significantly enhanced the strength of the Sc-containing alloys. Overall, while the high Al-Sc-Zr alloy provided the best combination of grain stability, mechanical strength, corrosion resistance, and extrudability under Route 1 (high-temperature homogenization), the low Al-Sc-Zr alloy still demonstrated clear improvements over the base alloy.

In the third part, the study began with laboratory-scale experiments on three 3xxx-based alloys, with and without Sc and Zr micro-additions. This stage aimed to establish a fundamental understanding of the alloys’ behavior under hot deformation and brazing conditions representative of industrial processing of brazed heat exchangers. Following 2% cold working and brazing, the base alloy exhibited poor grain stability with clear signs of abnormal grain growth (AGG), whereas the Sc/Zr-containing alloys maintained stable microstructures with limited or no recrystallization. Subsequently, flat strip extrusion trials were conducted to evaluate extrudability and mechanical performance. The ram pressure increased by approximately 13-18% with Sc/Zr additions, indicating higher deformation resistance and reduced extrudability. With the addition of Sc and Zr, the yield strength increased from 42 MPa in the base alloy to 70-89 MPa after brazing, and further to 109-127 MPa after post-braze aging due to the precipitation of fine Al3(Sc, Zr) nanoparticles, corresponding to increases of up to 191%. Finally, the study was scaled up through the fabrication of multi-port extrusions (MPE), representative of flat tube geometries used in heat exchanger applications. The MPE tubes of the base alloy exhibited coarse grains and localized AGG after sizing and brazing, indicating a loss of grain stability, whereas the Sc/Zr-containing alloys preserved a stable microstructure during brazing.

In the fourth part, a study was conducted to explore the potential of Sc and Zr additions in a typical 3xxx alloy used for MPE tubes in brazed heat exchangers. Three alloys were investigated in this study: the first is a typical 3xxx aluminum alloy used in brazed heat exchangers, the second is (L-ScZr) alloy containing 0.11 wt.% Sc and 0.10 wt.% Zr, and the third is a Sc-Zr-modified variant (H-ScZr) containing 0.21 wt.% Sc and 0.15 wt.% Zr. The three alloys were homogenized at 375 ºC for 24 hours and subsequently extruded into multi-port extruded (MPE) tubes. Subjecting the tubes to a small thickness reduction of only 2% followed by brazing at 605 ºC for 2.5 minutes resulted in pronounced grain coarsening in the base alloy, whereas the Sc-Zr showed improved grain stability with the H-ScZr alloy exhibiting the highest grain stability. Post-braze aging at 350 ºC for 4 hours resulted in significant strengthening in the Sc-Zr variants, with the yield strength increasing by up to approximately 105% compared with the base alloy.

Les composants légers en aluminium utilisés dans les échangeurs de chaleur jouent un rôle essentiel dans l’amélioration de l’efficacité énergétique des véhicules et la réduction des émissions de CO₂. Les alliages d’aluminium des séries 1xxx et 3xxx sont largement utilisés dans ces composants en raison de leur excellente formabilité, de leur bonne résistance à la corrosion et de leurs conductivité thermique favorable. Les échangeurs de chaleur sont fabriqués en formant des feuilles et des tubes d’aluminium selon les géométries souhaitées, puis en assemblant les différentes pièces par brasage. Lors du processus de brasage, les composants de l’échangeur de chaleur sont exposés à une courte période de température élevée qui met à l’épreuve leur stabilité granulaire intrinsèque. Cette exposition thermique peut favoriser la recristallisation et la croissance anormale des grains, ce qui dégrade considérablement la résistance mécanique des composants brasés. Les précipités contenant du scandium sont particulièrement efficaces pour contrôler la restauration, la recristallisation et la croissance des grains dans les alliages d’aluminium, améliorant ainsi leur stabilité granulaire lors d’une exposition à haute température. Cette étude vise à explorer l’effet du micro-alliage avec le Sc, ou avec le couple Sc–Zr, sur l’évolution de la microstructure et des propriétés des alliages AA1xxx et AA3xxx utilisés dans les échangeurs de chaleur brasés. Elle est présentée en quatre parties, comme indiqué ci-dessous.

Dans la première partie, une étude portant sur l’impact du micro-alliage au Sc et au Zr sur la stabilité microstructurale d’alliages 1xxx déformés à chaud et soumis à un recuit post-déformation entre 500 et 575 ºC pendant 1 h, afin de simuler des procédés de type brasage, est présentée. Quatre alliages ont été examinés: l’alliage 1xxx de base, Al-0,07Sc, Al-0,07Sc-0,10Zr et Al-0,19Sc-0,15Zr. Le traitement à 500 ºC a conduit à une recristallisation complète de l’alliage de base, tandis que les températures plus élevées ont favorisé une croissance anormale des grains. L’alliage Al-0,07Sc a résisté à la recristallisation à 500 ºC, mais a été entièrement recristallisé à 550 ºC. En revanche, l’alliage Al-0,07Sc-0,10Zr a conservé une bonne stabilité granulaire jusqu’à 550 ºC grâce à la présence de précipités stables Al3(Sc,Zr) ; toutefois, une recristallisation partielle a été observée à 575 ºC. L’alliage Al-0,19Sc-0,15Zr a préservé l’essentiel de sa microstructure déformée même après un traitement à 575 ºC. Il a montré la plus grande résistance à la recristallisation parmi les quatre alliages étudiés en raison de la densité numérique plus élevée et de la taille plus fine des précipités Al3(Sc,Zr), ce qui suggère que cet alliage pourrait être utilisé dans des conditions encore plus sévères, incluant des températures de brasage supérieures à 575 ºC.

Dans la deuxième partie, une étude portant sur des bandes minces extrudées en alliage 1xxx a été menée selon deux voies de traitement thermique avant extrusion : la Route 1 (R1), comprenant une homogénéisation à haute température à 600 °C pendant 4 h, et la Route 2 (R2), comprenant un prévieillissement à 350 °C pendant 24 h. Les effets du microalliage avec le Sc et le Zr sur la structure granulaire, les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion ont ensuite été systématiquement étudiés selon ces deux voies de traitement. Trois alliages ont été étudiés : un alliage 1xxx de base exempt de Sc et de Zr, un alliage Al-Sc-Zr à faible teneur en Sc/Zr (0,10 % mas. Sc, 0,10 % mas. Zr) et un alliage Al-Sc-Zr fortement micro allié (0,19 % mas. Sc, 0,15 % mas. Zr). L’alliage de base a présenté une microstructure entièrement recristallisée avec des grains très grossiers après brasage à 605 ºC pour les deux routes, ce qui s’est traduit par de faibles résistances mécaniques. Avec le micro-alliage Sc et Zr, la structure granulaire est devenue plus fine et plus stable, et les propriétés mécaniques se sont nettement améliorées. Parmi les trois alliages étudiés, le fort micro-alliage Al-Sc-Zr a été le seul à conserver la majeure partie de sa microstructure déformée après le brasage simulé à 605 ºC. Ces résultats ont été confirmés en extrudant des micro-tubes multi-canaux puis en les soumettant à un brasage simulé. Pour les deux routes, un traitement de vieillissement post-brasage a favorisé la précipitation fine d’Al3(Sc,Zr) et a considérablement renforcé les alliages contenant du Sc. Globalement, tandis que l’alliage fortement micro allié Al-Sc-Zr a offert la meilleure combinaison de stabilité granulaire, de résistance mécanique, de résistance à la corrosion et d’extrudabilité pour la Route 1 (augmentation de la température d’homogénéisation), l’alliage faiblement micro allié Al-Sc-Zr a tout de même montré des améliorations notables par rapport à l’alliage de base.

Dans la troisième partie, l’étude a débuté par des expériences à l’échelle du laboratoire sur trois alliages de la série 3xxx, avec et sans micro-ajouts de Sc et de Zr. Cette étape visait à établir une compréhension fondamentale du comportement des alliages sous des conditions de déformation à chaud et de brasage représentatives du procédé industriel des échangeurs de chaleur brasés. Après un écrouissage de 2 % suivi du brasage, l’alliage de base a présenté une faible stabilité des grains avec des signes évidents de croissance anormale des grains (AGG), tandis que les alliages contenant du Sc/Zr ont conservé des microstructures stables avec une recristallisation limitée ou inexistante. Par la suite, des essais d’extrusion de bandes plates ont été réalisés afin d’évaluer l’extrudabilité et les performances mécaniques. La pression d’extrusion a augmenté d’environ 13 à 18 % avec les ajouts de Sc/Zr, indiquant une résistance accrue à la déformation et une extrudabilité réduite. La limite d’élasticité a augmenté de 42 MPa pour l’alliage de base à 70-89 MPa après brasage, puis à 109-127 MPa après vieillissement post-brasage, en raison de la précipitation de fines nanoparticules d’Al3(Sc,Zr), correspondant à des augmentations allant jusqu’à 191 %. Enfin, l’étude a été étendue à la fabrication d’extrusions multi-canaux (MPE), représentatives de la géométrie des tubes plats utilisés dans les échangeurs de chaleur. Les tubes MPE de l’alliage de base ont présenté des grains grossiers et une AGG localisée après le calibrage et le brasage, indiquant une perte de stabilité microstructurale, tandis que les alliages contenant du Sc/Zr ont conservé une microstructure stable lors du brasage.

Dans la quatrième partie, une étude a été menée afin d’explorer le potentiel des ajouts de Sc et de Zr dans un alliage 3xxx typique utilisé pour les tubes MPE des échangeurs de chaleur brasés. Trois alliages ont été étudiés dans ce travail : le premier est un alliage d’aluminium 3xxx typique utilisé dans les échangeurs de chaleur brasés, le second est un alliage (L-ScZr) contenant 0,11 % massique de Sc et 0,10 % massique de Zr, et le troisième est une variante modifiée Sc–Zr (H-ScZr) contenant 0,21 % massique de Sc et 0,15 % massique de Zr. Les trois alliages ont été soumis à un traitement thermique à basse température à 375 °C pendant 24 h, puis extrudés sous forme de tubes multi-canaux (MPE). L’application d’une légère réduction d’épaisseur de seulement 2 %, suivie d’un brasage à 605 ºC pendant 2,5 minutes, a entraîné un grossissement marqué des grains dans l’alliage de base, tandis que les alliages contenant Sc–Zr ont montré une meilleure stabilité des grains, l’alliage H-ScZr présentant la stabilité des grains la plus élevée. L’application d’un traitement de vieillissement post-brasage à 350 ºC pendant 4 heures a entraîné un renforcement significatif des alliages contenant Sc–Zr, avec une augmentation de la limite d’élasticité pouvant atteindre environ 105 % par rapport à l’alliage de base.