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

Résumé

La demande croissante pour des systèmes de transport légers et écoénergétiques a intensifié le développement d’alliages Al–Mg–Mn 5xxx à faible coût. En particulier, des alliages capables de soutenir une déformation à haute température sur une large gamme de vitesses de déformation sont nécessaires pour le formage par soufflage à grande vitesse (High-Speed Blow Forming, HSBF). Le HSBF constitue une alternative prometteuse au formage superplastique conventionnel (Superplastic Forming, SPF), en combinant une première étape de déformation à vitesse de déformation élevée avec une étape subséquente de formage au gaz à faible vitesse de déformation. Cette approche réduit considérablement le temps de formage tout en permettant la fabrication de composants automobiles complexes. Cependant, la réussite du procédé HSBF nécessite des alliages capables de développer des structures de grains stables pendant un recuit de courte durée et de soutenir la déformation sur une large gamme de vitesses de déformation sans localisation prématurée de la déformation ni cavitation. Les études existantes se sont principalement concentrées sur les recuits de longue durée et la déformation à faible vitesse de déformation, laissant les effets du recuit rapide, de la déformation à haute vitesse de déformation et de l’évolution de la cavitation dans des conditions pertinentes pour le HSBF insuffisamment compris. Ainsi, cette thèse développe un cadre mécanistique décrivant les relations procédé–microstructure–déformation dans les alliages Al–Mg–Mn 5xxx sous conditions HSBF, puis applique cette compréhension à la conception d’alliages microalliés au Sc, au Zr et à l’Er, à faible coût, adaptés aux applications HSBF.

Dans un premier temps, ce travail examine le recuit de courte durée comme voie rapide pour produire des structures de grains fines et stables. Deux alliages Al–Mg–Mn 5xxx, l’alliage 1 (Al–4,5Mg–0,74Mn) et l’alliage 2 (Al–4,0Mg–1,18Mn), subissent une recristallisation statique rapide après seulement 2 min de recuit à 520 °C. Après 4 min, l’alliage 2 présente une fraction plus élevée de grains inférieurs à 10 μm ainsi qu’une meilleure résistance à la croissance des grains. Cette stabilité améliorée est attribuée à sa plus grande densité numérique de dispersoïdes riches en Mn. Ces résultats démontrent que le recuit de courte durée peut générer des microstructures capables de soutenir une déformation superplastique et fournissent une meilleure compréhension de l’évolution de la structure des grains dans les conditions thermiques rapides pertinentes pour le HSBF.

S’appuyant sur ces résultats, la deuxième étude examine le comportement en déformation et l’évolution microstructurale de l’alliage 2 dans des conditions pertinentes pour le HSBF. L’alliage a été testé entre 450 et 520 °C à des vitesses de déformation comprises entre 0,001 et 1 s⁻¹ après un recuit de courte durée, lequel a produit une structure de grains fine, entièrement recristallisée, de 4,5 à 5,6 μm. L’allongement et la contrainte d’écoulement montrent une forte dépendance à la température et à la vitesse de déformation, avec une ductilité maximale atteinte à 500 °C. À faibles vitesses de déformation, la déformation est dominée par le glissement aux joints de grains. La réduction de la ductilité à 450 °C est associée au fluage contrôlé par traînage de soluté, tandis que la diminution de la formabilité à 520 °C est liée à une croissance des grains contrôlée par diffusion. À 1 s⁻¹, un raffinement significatif des grains se produit par recristallisation dynamique continue. Les dispersoïdes contenant du Mn améliorent la stabilité microstructurale en limitant la migration des joints de grains. Ces résultats clarifient les mécanismes de déformation dominants dans des conditions pertinentes pour le HSBF et fournissent des orientations pour la conception microstructurale des alliages Al–Mg–Mn 5xxx. La troisième étude examine l’évolution de la cavitation dans les alliages 1 et 2 afin de clarifier l’influence de la vitesse de déformation, des particules intermétalliques, de la structure des grains et des mécanismes de déformation sur le développement de l’endommagement et les limites de formabilité dans des conditions pertinentes pour le HSBF. Les alliages ont été testés à 500 °C à des vitesses de déformation allant de 0,001 à 1 s⁻¹. Le comportement de cavitation montre une transition nette avec l’augmentation de la vitesse de déformation. À 0,001 s⁻¹, la déformation assistée par le glissement aux joints de grains favorise la croissance et la coalescence des cavités assistées par diffusion, conduisant aux fractions surfaciques de cavités les plus élevées. À 0,01 s⁻¹, l’interaction entre le glissement aux joints de grains et l’activité dislocationnelle intragranulaire limite la croissance des cavités et retarde leur coalescence. À 1 s⁻¹, la croissance des cavités assistée par diffusion est fortement supprimée, et l’endommagement se développe principalement sous forme de fins microvides allongés directionnellement. Bien que l’alliage riche en Mn, l’alliage 2, présente une densité de nucléation des cavités plus élevée en raison de sa plus grande population de particules intermétalliques, il conserve une ductilité supérieure sur toute la gamme de vitesses de déformation étudiée. Ce comportement est attribué à sa structure de grains plus fine et thermiquement stable, qui permet d’accommoder une accumulation plus importante de cavités tout en retardant leur liaison et la localisation de l’endommagement. Ces résultats établissent un cadre de cavitation dépendant de la vitesse de déformation, reliant les mécanismes de déformation, la stabilité microstructurale et l’évolution de l’endommagement dans des conditions pertinentes pour le HSBF. Ils soulignent également la nécessité de contrôler les IMC grossiers excessifs tout en favorisant des microstructures à grains fins et stables pour la conception d’alliages Al–Mg–Mn 5xxx tolérants à l’endommagement et adaptés au HSBF.

La phase finale de la thèse porte sur le développement d’alliages Al–Mg–Mn issus de rebuts, à faible coût et économes en ressources, pour les applications HSBF, en s’appuyant sur la compréhension de la recristallisation, de la cavitation et du comportement en déformation établie à partir des alliages commerciaux étudiés dans les phases précédentes. Trois alliages Al–Mg–Mn 5xxx issus de rebuts ont été développés : un alliage de base sans Sc, Zr ni Er ; un alliage Al–Mg–Mn microallié au Sc–Zr, BSc10Zr ; et un alliage Al–Mg–Mn microallié à l’Er–Sc–Zr, BSc05ZrEr. Le recuit de courte durée à 500 °C produit une structure entièrement recristallisée dans l’alliage de base, tandis que les alliages contenant du Sc conservent des microstructures majoritairement bandées ou partiellement recristallisées en raison du fort effet d’ancrage des précipités cohérents de structure L12, Al3(Sc,Zr) et Al3(Sc,Zr,Er). À 0,01 s⁻¹, BSc05ZrEr présente l’allongement le plus élevé, soit environ 256 %, en raison de sa fraction plus élevée de grains fins recristallisés, tandis que BSc10Zr montre une ductilité plus faible, d’environ 200 %, en raison de sa structure majoritairement non recristallisée/bandée. À 0,1 s⁻¹, BSc10Zr atteint la ductilité maximale, d’environ 259 %, tandis que BSc05ZrEr maintient une ductilité stable d’environ 254 %, indiquant une formabilité améliorée sur une gamme plus large de vitesses de déformation. L’analyse EBSD montre que cette ductilité améliorée est associée à une augmentation de la fraction de joints de grains à grand angle, à la subdivision des joints et à un raffinement dynamique des grains compatible avec une évolution de type CDRX. À 1 s⁻¹, la déformation contrôlée par les dislocations réduit la ductilité de tous les alliages ; toutefois, les alliages contenant du Sc conservent un allongement appréciable grâce à leur meilleure résistance à la localisation de l’écoulement. Dans BSc05ZrEr, les zones dépourvues de dispersoïdes liés au Mn favorisent la partition de la déformation, limitant ainsi une amélioration supplémentaire de la ductilité. Sous déformation en deux étapes pertinente pour le HSBF, de 1 s⁻¹ à 0,01 s⁻¹, l’alliage BSc05ZrEr, à faible teneur en Sc et contenant de l’Er, atteint un allongement d’environ 286 %, démontrant une formabilité améliorée et une tolérance supérieure aux transitions de vitesse de déformation. Ces résultats montrent qu’un microalliage ciblé des alliages Al–Mg–Mn issus de rebuts peut équilibrer le contrôle de la recristallisation, la stabilité en déformation, le coût de l’alliage et l’efficacité des ressources, fournissant ainsi des orientations pour la conception d’alliages d’aluminium en tôle durables destinés aux applications HSBF.

Dans l’ensemble, cette thèse établit un cadre intégré procédé–microstructure–déformation–endommagement pour les alliages Al–Mg–Mn 5xxx dans des conditions pertinentes pour le HSBF. Les résultats démontrent que le recuit de courte durée, les structures de grains stabilisées par les dispersoïdes de Mn, les mécanismes de déformation dépendants de la vitesse de déformation, la résistance à la cavitation et le microalliage Sc–Zr–Er à faible coût sont des facteurs essentiels pour obtenir un formage stable à grande vitesse. Ce travail fournit à la fois une compréhension fondamentale et des orientations pratiques pour la conception d’alliages Al–Mg–Mn 5xxx durables et à faible coût, soutenant ainsi le développement industriellement viable du HSBF pour la fabrication de composants automobiles légers et complexes.

The growing demand for lightweight and energy-efficient transportation systems has intensified the development of cost-effective Al–Mg–Mn 5xxx alloys. In particular, alloys capable of sustaining high-temperature deformation across a wide strain-rate range are required for high-speed blow forming (HSBF). HSBF offers a promising alternative to conventional superplastic forming (SPF) by combining an initial high strain-rate deformation stage with a subsequent low strain-rate gas-forming stage. This approach significantly reduces forming time while enabling the fabrication of complex automotive components. However, successful HSBF processing requires alloys that can develop stable grain structures during short-duration annealing and sustain deformation over a wide strain-rate range without premature strain localization or cavitation. Existing studies have mainly focused on long-duration annealing and low strain-rate deformation, leaving the effects of rapid annealing, high strain-rate deformation, and cavitation evolution under HSBF-relevant conditions insufficiently understood. Accordingly, this thesis develops a mechanistic framework to describe the processing–microstructure–deformation relationships in Al–Mg–Mn 5xxx alloys under laboratory conditions representative of the key thermal and deformation stages of HSBF, hereafter referred to as HSBF-relevant conditions. This understanding is then applied to the design of cost-effective Sc-, Zr-, and Er-microalloyed Al–Mg–Mn alloys tailored for HSBF applications.

The work first examines short-duration annealing as a rapid route to produce fine and stable grain structures. Two Al–Mg–Mn 5xxx alloys, Alloy 1 (Al–4.5Mg–0.74Mn) and Alloy 2 (Al–4.0Mg–1.18Mn), undergo rapid static recrystallization after only 2 min of annealing at 520 °C. After 4 min, Alloy 2 exhibits a higher fraction of grains below 10 μm and greater resistance to grain coarsening. This improved stability is attributed to its higher number density of Mn-rich dispersoids. These results demonstrate that short-time annealing can generate microstructures capable of sustaining superplastic deformation and provide insight into grain structure evolution under the rapid thermal conditions relevant to HSBF.

Building on this, the second study investigates the deformation behavior and microstructural evolution of Alloy 2 under HSBF-relevant conditions. The alloy was tested between 450 and 520 °C at strain rates from 0.001 to 1 s⁻¹ after short-time annealing, which produced a fine, fully recrystallized grain structure of 4.5–5.6 μm. Elongation and flow stress show strong dependence on temperature and strain rate, with maximum ductility achieved at 500 °C. At low strain rates, deformation is dominated by grain-boundary sliding. Reduced ductility at 450 °C is associated with solute-drag creep, while decreased formability at 520 °C is linked to diffusion-controlled grain growth. At 1 s⁻¹, significant grain refinement occurs through continuous dynamic recrystallization. Mn-containing dispersoids enhance microstructural stability by restricting grain-boundary migration. These findings clarify the governing deformation mechanisms across HSBF-relevant conditions and provide guidance for microstructure design in Al–Mg–Mn 5xxx alloys.

The third study examines cavitation evolution in Alloy 1 and Alloy 2 to clarify how strain rate, intermetallic particles, grain structure, and deformation mechanisms influence damage development and formability limits under HSBF-relevant conditions. The alloys were tested at 500 °C over strain rates from 0.001 to 1 s⁻¹. Cavitation behavior shows a clear transition with increasing strain rate. At 0.001 s⁻¹, grain-boundary-sliding-assisted deformation promotes diffusion-assisted cavity growth and coalescence, resulting in the highest cavity area fractions. At 0.01 s⁻¹, the interaction between grain-boundary sliding and intragranular dislocation activity limits cavity growth and delays coalescence. At 1 s⁻¹, diffusion-assisted cavity growth is strongly suppressed, and damage develops mainly through fine, directionally extended microvoids. Although the Mn-rich alloy, Alloy 2, exhibits a higher cavity nucleation density due to its larger intermetallic particle population, it maintains superior ductility across the investigated strain-rate range. This behavior is attributed to its finer and thermally stable grain structure, which accommodates greater cavity accumulation while delaying cavity linkage and damage localization. These findings establish a strain-rate-dependent cavitation framework linking deformation mechanisms, microstructural stability, and damage evolution under HSBF-relevant conditions. They also highlight the need to control excessive coarse IMCs while promoting stable fine-grained microstructures for the design of damage-tolerant Al–Mg–Mn 5xxx alloys tailored for HSBF.

The final phase of the thesis focuses on the development of cost-effective and resource-efficient scrap-derived Al–Mg–Mn alloys for HSBF applications, based on the understanding of recrystallization, cavitation, and deformation behavior established from the commercial alloys investigated in the earlier phases. Three scrap-derived Al–Mg–Mn 5xxx alloys were developed: a base alloy without Sc, Zr, or Er; a Sc–Zr-microalloyed Al–Mg–Mn alloy, BSc10Zr; and an Er–Sc–Zr-microalloyed Al–Mg–Mn alloy, BSc05ZrEr. Short-time annealing at 500 °C produces a fully recrystallized structure in the base alloy, whereas the Sc-containing alloys retain predominantly banded or partially recrystallized microstructures owing to the strong pinning effect of coherent L1₂-structured Al3(Sc,Zr) and Al3(Sc,Zr,Er) precipitates. At 0.01 s⁻¹, BSc05ZrEr exhibits the highest elongation of approximately 256 %, owing to its higher fraction of fine recrystallized grains, while BSc10Zr shows lower ductility of approximately 200 % due to its predominantly unrecrystallized/banded structure. At 0.1 s⁻¹, BSc10Zr achieves the maximum ductility of approximately 259 %, while BSc05ZrEr maintains stable ductility of approximately 254 %, indicating enhanced formability over a broader strain-rate range. EBSD analysis shows that the improved ductility is associated with increased high-angle grain-boundary fractions, boundary subdivision, and dynamic grain refinement consistent with CDRX-type evolution. At 1 s⁻¹, dislocation-mediated deformation reduces ductility in all alloys; however, the Sc-containing alloys retain appreciable elongation due to their greater resistance to flow localization. In BSc05ZrEr, Mn-related dispersoid-free zones promote strain partitioning, limiting further ductility improvement. Under HSBF-relevant dual-stage deformation from 1 s⁻¹ to 0.01 s⁻¹, the low-Sc, Er-containing BSc05ZrEr alloy achieves approximately 286 % elongation, demonstrating improved formability and superior tolerance to strain-rate transitions. These findings show that targeted microalloying of scrap-derived Al–Mg–Mn alloys can balance recrystallization control, deformation stability, alloy cost, and resource efficiency, providing guidance for the design of sustainable aluminum sheet alloys for HSBF applications.

Overall, this thesis establishes an integrated processing–microstructure–deformation–damage framework for Al–Mg–Mn 5xxx alloys under HSBF-relevant conditions. The results demonstrate that short-duration annealing, Mn-dispersoid-stabilized grain structures, strain-rate-dependent deformation mechanisms, cavitation resistance, and cost-effective Sc–Zr–Er microalloying are critical factors for achieving stable high-speed forming. This work provides both fundamental understanding and practical guidance for the design of cost-effective and sustainable Al–Mg–Mn 5xxx alloys, thereby supporting the advancement of industrially viable HSBF for manufacturing complex lightweight automotive components.