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

Résumé

La demande croissante de conducteurs en aluminium à haute performance pour les systèmes de distribution d’énergie exige des matériaux présentant simultanément une résistance mécanique élevée et une excellente conductivité électrique. Ce défi est particulièrement critique pour les applications de barres omnibus extrudées à chaud, où le renforcement par écrouissage après déformation n’est pas envisageable. Le présent projet répond à cette limitation par une étude approfondie des stratégies de conception d’alliages et des procédés thermomécaniques pour des alliages conducteurs d’aluminium des séries 6xxx et 1xxx, avec des ajouts de Cu, Sc et Zr pour des applications de barres omnibus. Un aspect clé de ce travail est l’adoption du vieillissement direct après extrusion à chaud (T5) de barres en forme de bandes, au lieu du traitement conventionnel T6 (mise en solution suivie de vieillissement). Le vieillissement direct offre des avantages importants, notamment une réduction du temps de traitement et de la consommation d’énergie, ainsi que la préservation des microstructures induites par la déformation, favorables au renforcement. Toutefois, en l’absence de mise en solution, les paramètres thermomécaniques, en particulier la température de préchauffage avant déformation, jouent un rôle déterminant dans la distribution des atomes de soluté sursaturés et, par conséquent, dans le comportement de précipitation lors du vieillissement. Ainsi, une conception rigoureuse du chemin de déformation, combinée à une optimisation du traitement de vieillissement, est essentielle pour obtenir un compromis efficace entre résistance et conductivité électrique.

La première phase du projet examine l’effet des ajouts de Cu (0,15–0,4 % massique) sur le comportement en déformation à chaud d’un alliage conducteur Al-Mg-Si, en mettant l’accent sur l’influence des paramètres de procédé sur la conductivité électrique et les propriétés mécaniques. Des essais de compression à chaud ont été réalisés à 450 °C et 550 °C, avec des vitesses de déformation comprises entre 0,1 et 10 s⁻¹. Les résultats montrent qu’à 450 °C, l’ajout de ≤0,3 % Cu augmente légèrement la contrainte d’écoulement (jusqu’à 8,2 %), tandis que 0,4 % Cu entraîne une augmentation significative (15–25,2 %). À 550 °C, l’effet du Cu diminue fortement (<3,5 %), notamment à faible vitesse de déformation. L’énergie d’activation augmente de 143,9 à 173,3 kJ/mol avec 0,15–0,4 % Cu, indiquant une résistance accrue à la déformation. Le Cu ralentit la restauration dynamique et réduit la taille des sous-grains ainsi que la désorientation moyenne des joints de grains. Globalement, les alliages déformés à 450 °C présentent une dureté inférieure de 8 à 20 %, mais une conductivité électrique plus élevée (1,0–2,5 % IACS) que ceux déformés à 550 °C après 8 h et 24 h de vieillissement, bien que cet écart diminue à 24 h. Ce comportement est attribué à la formation de précipités β-Mg₂Si grossiers à 450 °C, qui améliorent la conductivité mais réduisent la dureté. L’allongement du vieillissement de 8 h à 24 h augmente légèrement la conductivité (1–2,7 % IACS) avec une diminution minimale de la dureté (<4 HV). L’alliage contenant 0,3 % Cu présente le meilleur compromis, atteignant jusqu’à 75 HV (20–30 % de plus que l’alliage de base), avec une faible variation de la résistance à la déformation et une conductivité de 52,4–54,1 % IACS conforme aux normes.

La deuxième phase du projet étudie l’effet du préchauffage avant extrusion (420 °C contre 480 °C) et des stratégies de vieillissement direct (en une et deux étapes) sur la précipitation, la microstructure et les propriétés des alliages Al–0,1Sc–0,1Zr (% massique). Les résultats montrent qu’un préchauffage plus faible (420 °C) limite le grossissement précoce et favorise une forte densité de particules fines cohérentes Al3Sc/Al3(Sc,Zr) de structure L1₂ après vieillissement, améliorant ainsi la résistance. Le vieillissement en deux étapes (300 °C/24 h + 400 °C/8 h) appliqué à l’alliage extrudé à 420 °C produit la distribution de précipités la plus fine (4,41×10²¹ m⁻³), grâce à la formation d’un coeur riche en Sc suivie d’une diffusion contrôlée du Zr, conduisant à une structure coeur–coquille très stable. Cet état optimisé favorise le renforcement par contournement d’Orowan et limite la croissance des sous-grains via une augmentation de la pression de traînée de Zener. Ainsi, la combinaison d’un faible préchauffage (420 °C) et d’un vieillissement en deux étapes permet d’atteindre le meilleur compromis, avec une résistance ultime de 172 MPa et une conductivité de 57,5 % IACS. À l’inverse, les alliages extrudés à 480 °C présentent un grossissement important des précipités, réduisant la résistance et la stabilité thermique.

La troisième phase analyse l’effet de la température de déformation à chaud sur l’évolution microstructurale de l’alliage Al–0,1 % Sc et son impact sur l’efficacité du vieillissement isotherme. Des essais de compression ont été réalisés entre 350 et 550 °C à une vitesse de déformation de 1 s⁻¹ et une déformation vraie de 0,8, suivis d’un vieillissement à 300 °C pendant 24 h. Les résultats montrent qu’une déformation à 450 °C entraîne l’augmentation la plus élevée de la contrainte d’écoulement (39,7 %), tandis qu’à 550 °C, la contrainte est minimale et comparable à celle de l’aluminium pur. Après vieillissement, les conditions de déformation à 350 °C et 550 °C offrent le meilleur compromis entre conductivité (58,5–59 % IACS) et dureté (70–71 HV). En revanche, à 450 °C, la dureté est minimale (51 HV), soit une réduction d’environ 28 %. Les analyses MET révèlent que cette faible dureté est due à la formation de précipités Al₃Sc grossiers et hétérogènes lors du préchauffage, contrairement aux températures de 350 °C et 550 °C qui favorisent la formation uniforme de nanoparticules L12 lors du vieillissement.

Les résultats sont validés par des essais d’extrusion à l’échelle pilote, mettant en évidence l’influence du préchauffage des billettes, de la vitesse de refroidissement et des conditions de vieillissement sur la microstructure et les propriétés finales. Ce travail apporte également une compréhension fondamentale des mécanismes de précipitation dans les alliages conducteurs à base d’aluminium, appuyée par des approches de modélisation prédictive, et propose des lignes directrices pratiques pour la conception et la fabrication de conducteurs en aluminium à haute performance pour des applications industrielles.

The increasing demand for high-performance aluminum conductors in power distribution systems requires materials that simultaneously exhibit high mechanical strength and excellent electrical conductivity. This challenge is particularly critical for hot extruded bus bar applications, where strengthening through post-deformation cold working is not feasible. The current project addresses this limitation through a comprehensive investigation of alloy design and thermomechanical processing strategies for both 6xxx and 1xxx aluminum conductor alloys, incorporating Cu, Sc, and Zr additions for electrical busbar applications. A key aspect of this work is the adoption of direct aging after hot extrusion (T5) of strip-shape bus bars instead of conventional T6 treatment (solutionizing followed by aging). Direct aging offers important advantages, including reduced processing time and energy consumption, as well as the preservation of deformation-induced microstructures that can enhance strengthening. However, in the absence of solution treatment, thermomechanical parameters, particularly the deformation preheating temperature, play a critical role in controlling the distribution of supersaturated solute atoms in the matrix and, consequently, the subsequent precipitation behavior during aging. Therefore, careful design of the deformation schedule, together with optimization of the aging treatment, is essential to achieve an effective trade-off between strength and electrical conductivity.

First phase of project examines the impact of Cu additions (0.15–0.4 wt.%) on the hot deformation behavior of an Al-Mg-Si conductor alloy with a focus on how process parameters influence electrical conductivity and mechanical properties. Hot compression tests were performed at 450°C and 550°C using strain rates ranging from 0.1 to 10 s-1 to achieve this objective. The results show that at 450°C, adding ≤0.3 wt.% Cu slightly raised flow stress (up to 8.2%), while 0.4 wt.% Cu caused a significant increase (15–25.2%). At 550°C, Cu’s effect markedly decreased (<3.5%), especially at lower strain rates. Moreover, activation energy rose from 143.9 to 173.3 kJ/mol with 0.15–0.4 wt.% Cu, showing increased deformation resistance. Cu retarded the dynamic recovery and decreased the subgrain size and mean misorientation angle of the grain boundaries. Overall, alloys deformed at 450°C showed 8–20% lower hardness but higher electrical 1.0–2.5 %IACS than those deformed at 550°C after both 8 h and 24 h aging, though the difference narrowed at 24 h. This behavior is attributed to coarse β-Mg2Si precipitates at 450°C, enhancing conductivity but reducing hardness. Extending aging from 8 h to 24 h slightly increased conductivity (1–2.7% IACS) with minimal hardness drop (<4 HV). The findings indicates that the 0.3% Cu alloy offered the best balance—achieving up to 75 HV (20–30% higher than base alloy), slight change in deformation resistance, and maintaining 52.4-54.1 %IACS conductivity within conductor standards.

Second phase of project explores how hot extrusion preheat (420 °C vs. 480 °C) and directly aging strategy (one- and two-step) affect precipitation, microstructure, and properties of Al–0.1Sc–0.1Zr (wt.%) alloys. Results indicate that lower preheat extrusion at 420 °C suppresses early coarsening and produces a higher density of fine, coherent Al3Sc/Al3(Sc,Zr) particles with the L12 structure after aging, leading to enhanced strength. Aging conditions included one-step aging at 300, 350, and 400 °C, as well as a two-step schedule (300 °C/24 h + 400 °C/8 h). Two-step aging applied to the 420 °C-extruded alloy generated the finest precipitate distribution (4.41×10²¹ m-3) by promoting Sc-rich core formation at 300 °C followed by controlled Zr diffusion at 400 °C, yielding a core–shell structure with superior coarsening resistance. This optimized precipitation state delivered the highest strengthening contribution through Orowan bypass, along with controlled subgrain growth resulting from increased Zener drag pressure. Consequently, coupling a low extrusion preheat temperature (420 °C) with a tailored two-step aging treatment achieved the best property balance, delivering a UTS of 172 MPa and an electrical conductivity of 57.5% IACS—an effective pathway to producing high-strength, high-conductivity aluminum conductor alloys. In contrast, alloys extruded at 480 °C experienced significant precipitate coarsening across all aging treatments, resulting in lower strengthening and reduced thermal stability.

Third phase of project investigates the effect of hot deformation temperature on the microstructural evolution of Al–0.1 wt.% Sc alloy and assesses its impact on the effectiveness of subsequent isothermal aging. Uniaxial hot compression tests were conducted over a temperature range of 350–550 °C at a constant strain rate of 1 s-1 and a true strain of 0.8, followed by isothermal aging at 300 °C for 24 h. The stress–strain behavior of Al-Sc shows that deformation at 450 °C results in the greatest increase in flow stress (39.7%) compared to pure Al, whereas deformation at 550 °C yields the lowest flow stress, comparable to that of pure Al. The isothermally aged Al-Sc alloy at 300 °C shows that hot deformation at 350 °C and 550 °C provides a favorable balance between electrical conductivity and hardness, achieving 58.5–59 % IACS and 70–71 HV, respectively. In contrast, deformation at 450 °C results in a comparable EC (~59 % IACS) but yields the minimum hardness (51 HV), corresponding to a ~28 % reduction compared with the highest hardness value. TEM analysis reveals that the significantly lower hardness at 450 °C is attributed to the formation of coarse, chain-like Al3Sc precipitates during preheating, which are heterogeneously distributed within the microstructure. In contrast, deformation at 350 °C and 550 °C suppresses such precipitates, favoring uniform nanoscale L12 Al3Sc formation during aging.

The findings are validated through industrial-scale extrusion trials, examining how billet preheating, cooling rate, and aging conditions affect the final microstructure and properties. This work also provides fundamental insights into precipitation mechanisms in Al-based conductor alloys, using predictive modeling to clarify precipitate behavior and rationalize the success or failure of specific aging routes, offering practical guidelines for designing and manufacturing high-performance aluminum conductors for industrial applications.