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

Résumé

En plus de réduire le poids des véhicules et de diminuer la consommation de carburant et les émissions polluantes, les efforts de recherche en cours dans l'industrie automobile ont été axées sur l'amélioration des performances à haute température des composants clés du moteur en particulier en ce qui concerne la préservation des propriétés mécaniques des alliages d'aluminium moulés utilisés dans ces composants à des températures de 200°C à 300°C. L'utilisation de nickel et de zirconium comme éléments d'ajouts pour accroître la résistance à haute température dans ces alliages est basée sur la formation des précipités de A^Ni et A^Zr reconnus pour leur stabilité à des températures élevées, ces particules sont en mesure de mieux supporter le survieillissement à des températures plus élevées que les précipités de A^Cu et Mg2Si normalement présents dans les alliages d'aluminium moulés.

L'objectif principal du présent travail de recherche était de déterminer les effets des ajouts mineurs de nickel et de zirconium, ainsi que des dispersoïdes AI2O3 et SiC, sur la résistance à haute température des alliages de fonderie 354. Des expérimentations basées sur l'analyse thermique ont été menées pour acquérir une compréhension des principaux constituants de la microstructure des alliages, tels que les phases intermétalliques et les précipités, ainsi que leur évolution au cours du vieillissement à différentes températures et temps, à savoir 155°C, 170°C, 190°C, 240°C , 300°C et 350°C pendant des périodes allant de 2 à 100 heures. Les propriétés de traction des échantillons tels que coulés et traités thermiquement ont été déterminées à température ambiante et à haute température (190°C, 250°C, 350°C) pour les alliages sélectionnés/conditions basées sur les résultats obtenus des tests à température ambiante. Les échantillons ont été produits dans une moule permanent métallique ASTM-B108. Les résultats des essais de traction ont été examinés en terme des caractéristiques microstructurales des alliages correspondants, afin d'analyser et de comprendre les principaux paramètres impliqués dans le renforcement de l'alliage 354 à des températures élevées.

Les résultats montrent que, comme pour l'alliage 319 qui présente des réactions associées à de phases contenant du Cu, l'alliage 354 présente des réactions bien définies à des températures inférieures à 500°C liés aux phases contenant du Cu. Le zirconium réagit seulement avec Ti, Si et Al. Les phases intermétalliques riches en Zr observées dans cette étude se présentent sous deux formes différentes: la phase (Al, Si)2(Zr, Ti) contenant une forte teneur en silicium et ayant la forme d'un bloc, et la phase (Al, Si)3(Zr, Ti) contenant une forte teneur en d'aluminium et ayant la forme d'une aiguille. Il n'y a pas d'empoisonnement observable dans l'affinage de la taille des grains après l'addition de Zr dans les alliages étudiés comme cela a été observé dans les microstructures des échantillons d'analyse thermique obtenues à haute vitesse de refroidissement, pour les alliages contenant du Zr et Ti. Les expériences d'analyse thermique réalisées à la haute vitesse de refroidissement, à savoir 4°C sec-1, ont révélé la présence d'une réaction dans la gamme de température de 667-671°C, qui semble être liée à la précipitation de la phase riche en Zr, qui n'était pas possible d'observer à faible vitesse de refroidissement de 0,35 °C sec-1.

L'utilisation des graphiques d'indice de qualité est une méthode jugée satisfaisante pour la présentation des résultats des essais de traction, et pour évaluer les effets des ajouts de Ni, Zr et des micro-particules (AI2O3, SiC) à l'alliage de base, ainsi qu'une évaluation des conditions de traitements thermiques appliqués aux sept alliages de type 354 étudié en relation avec lesdites propriétés. À partir des graphiques d'indice de qualité construits pour ces alliages, l'indice de qualité atteint les valeurs minimales et maximales, 259 MPa et 459 MPa, pour les conditions tel que coulé et mise en solution, ainsi que les limites d'élasticité maximales et minimales observées sont de 345 MPa et de 80 MPa, respectivement, dans toute la série de vieillissement. L'ajout de faible pourcentage de micro-oxydes/carbures (0.5%) à l'alliage 354 n'a pas amélioré les propriétés de traction, mais favorise l'apparition de défauts tels que la ségrégation des micro-particules et la porosité, qui diminue les propriétés de traction. Une diminution des propriétés de traction de 10% par l'ajout de 0,4% de nickel est attribuée à la relation entre le nickel et le cuivre qui interfère avec la formation de précipités A^Cu. La phase aiguille (Al,Si)3(Zr,Ti) est l'élément principal dans les microstructures des échantillons de traction des alliages avec des additions de Zr. La réduction des propriétés mécaniques causée par l'addition de différents éléments est attribuée principalement à l'augmentation du pourcentage des intermétalliques formés lors de la solidification; ces particules agiraient comme des concentrateurs de contraintes diminuant la ductilité des alliages. Les résultats des essais de traction à température ambiante montrent une légère augmentation (10%) dans les alliages avec Zr et Zr/Ni, en particulier à des températures de vieillissement supérieures à 240°C. Le principal effet de l'addition de Zr est une réduction drastique de la taille des grains, de -40%, à comparer à l'alliage de base, plutôt que d'accroître les propriétés mécaniques à température ambiante. L'ajout de Zr et Zr/Ni augmente les propriétés de traction à température élevée, en particulier pour les alliages avec 0,2% Zr et 0,2% Ni, lesquels augmentent de plus de 30% les propriétés en traction à 300°C par rapport à l'alliage de base. En résumé, les meilleures propriétés de traction à haute température apparaissent pour l'alliage contenant 0,2% Zr +% 0.2% Ni à la condition telle que coulée.