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

Résumé

Le développement de nouveaux alliages, caractérisés par un rapport résistance-poids élevé et par un faible coût de production est un des objectifs majeurs de l'industrie de l'automobile afin de réduire les émissions de CO2 en réduisant le poids des pièces tout en conservant les propriétés mécaniques à haute température. L'alliage Al-2%Cu contenant 2%Cu, l%Si, 0.4%Mg, 0,42%Fe, 0.7%Mn et 0.02%Ti est l'un de ces alliages. Sa faible teneur en Cu et Si associé à un niveau acceptable de la résistance à la traction, permet à ce dernier de remplacer un certain nombre d'alliages comme le 319 pour des applications similaires telles que la coulée de culasses et de bases de moteur. En tant que nouvel alliage, il nécessite une enquête approfondie afin d'optimiser différentes caractéristiques telle la coulabilité, la microstructure et les propriétés mécaniques. Cette étude a été entreprise afin d'étudier les effets des additifs chimiques comme le zirconium et le scandium sur la microstructure, les propriétés de traction et la susceptibilité à la déchirure à chaud. Cette enquête a été réalisée à partir de 31 compositions d'alliage (Al-2%Cu) qui ont été divisés en trois catégories d'alliages principaux liés à la microstructure, les propriétés de traction et les enquêtes sur la déchirure à chaud. À titre comparatif, sept compositions de l'alliage 206 (Al-4%Cu) ont également été employées.

Dans la première catégorie, dix alliages ont été coulés utilisent comme principaux additifs le Zr et le Se en combinaison avec le Ti-B, le Sr et l'Ag sous des conditions de refroidissement lent d'environ 0,3°C/s et à des concentrations relativement élevées de 0,5%Zr et 0,5%Sc. Un certain nombre d'intermétalliques primaires de Zr, Se et Zr-Sc ont été observés dans les alliages étudiés, à savoir la phase étoilée Al3(Sci-xZrx), les phases AI3SC, V-AISC2S12, A^Zr, en plus de deux autres composés intermétalliques de Zr. Il a été observé que les cristaux A^Zr servent de noyaux pour les phases étoilées qui croient par la précipitation des couches d'A^Sc, avec la substitution progressive des atomes Se par les atomes Zr. Également, la phase en étoile continue de croître à l'état solide par l'absorption de Se pour ainsi former la phase AI3SC, observée sous la forme de spirale sur les bords de la particule. Des composés intermétalliques inconnus ternaires AlZrSi et quaternaires AlZrTiSi ont également été détectés. Il a été constaté que les additions combinées de Zr et Se ont grandement modifiées la taille et la morphologie des grains de l'alliage de base. La taille des grains diminue proportionnellement avec l'augmentation de la fraction volumique des intermétaîliques résultants de l'ajout combiné de Zr et de Se qui, à son tour, conduit à la formation à profusion de la phase étoilée. Les effets bénéfiques des éléments de transition Zr, Se, Ti à affiner la taille des grains a-Al et à transformer la morphologie d'un précipité dendritique à tm non-dendritique mène, indirectement, à une réduction sensible de la taille des composés intermétalliques tels que les phases a - Fe et AfcCu.

Dans la seconde catégorie, dix-sept alliages différents ont été préparés en utilisant différentes additions de Zr, Se, Ti-B, Sr, Ag et Si. Ces alliages ont été divisés en quatre11 sous-groupes, comme suit: Zr-Ti, Zr-Srs Zr-Sc et les alliages de silicium. Les barreaux pour les essais de traction (Vitesse de refroidissement 7°C/s) coulés de ces alliages ont été mis en solution pour une période de 8 heures à 490°C, puis durci par vieillissement à des temps de 2, 4, 6, 10, 16, 24 et 48h à 180°C et 0.5, 1, 1.5, 2, 4, 6, 10, 16, 24 et 48h à 220°C. Il a été signalé que les additions combinées de Zr-Ti, Zr-Sr, Zr-Sc réduit considérablement la taille des grains de l'alliage de base de 219 microns à 104-46 um étant donné que ces éléments forment des intermétalliques trialuminide primaire y compris Al3(Sci-xZrx), Al3(Scj.x. yZrxTiy), et AlsZr qui agissent comme sites de nucléation pour les grains a-Al, produisant ainsi une structure fine non dendritique. La morphologie raffinée non-dendritique produite par les additions combinées de Zr-Ti, Zr-Sr, Zr-Sc a entraîné une réduction d'environ 65% dans la fraction de surface de la phase Ai-2%Cu dans l'alliage de base, et à une réduction de la porosité d'environ 50%. Une augmentation de 2%Si a également produit les mêmes résultats, provoquée par l'augmentation de la teneur en Al-Si eutectique. Le durcissement maximal est atteint après des vieillissements de ÎOh et 24h à 180°C et de lh et 2h à 220°C. Les groupes d'alliage Zr-Sr et Zr-Ti ont fournis la meilleure amélioration des propriétés de mécaniques de l'alliage de base Al-2%Cu alors que les groupes Zr-Sc et Si occupent le troisième et quatrième niveau, respectivement. L'alliage contenant 0.02%Sr-0.7%Zr a fourni la plus grande limite à la rupture et des valeurs de résistance de 383 MPa et 326 MPa, respectivement, après 4h de vieillissement à 180°C. La résistance de l'alliage augmente dans le groupe d'alliage Zr-Ti en raison de l'augmentation de la teneur en Zr de 0,15% à 0,7% après un vieillissement de IOh à 180°C. Cette augmentation peut être attribuée aux dispersoïdes A^Zr et Als(Zri xTix) agissant en tant que sites de nucléation hétérogène pour les phases durcies par vieillissement, à l'action modifiante du Zr sur la phase AfeCuMg et à Faction du Zr-Ti à produire une structure de grains raffinés non- dendritiques. Les additions combinées de Zr-Sr et Sr-Ti produisent les meilleurs niveaux d'allongement de tous les alliages étudiés, comme en témoignent les alliages contenant 0.02%Sr-0.15%Ti et 0.02%Sr-0.7%Zr. Ces niveaux améliorés sont le résultat des effets de la modification du Sr sur les particules ot-Fe, ainsi que le rôle du Zr et du Ti à produire une structure non dendritique QJ-AI. L'alliage contenant 0.02%Sr-0.15%Ti a montré le plus haut niveau de résistance au ramollissement au cours du vieillissement à 220°C en raison des effets respectifs de la modification et du raffinage du Sr et du Ti sur la microstructure.

La troisième catégorie d'alliage comprend six alliages sélectionnés dans la seconde catégorie afin d'étudier les effets de la composition chimique et des paramètres du moule sur la susceptibilité à ia déchirure à chaud (HTS) du nouvel alliage Al-2%Cu. Les résultats HTS ont été comparés avec l'alliage 206. Généralement F alliage de base Al-2%Cu a donné une plus grade résistance à la déchirure à chaud que l'alliage 206. Une température du moule élevée est bénéfique dans la réduction de la susceptibilité à la déchirure à chaud des alliages Al-2%Cu et 206 par une baisse de la valeur HTS de 21 à 3 et 9, respectivement. La température du moule est passée de 250°C à 450°C. Le raffinement de la structure des grains obtenus avec les additions de Zr-Ti ou Ti a diminué la gravité de la déchirure à chaud suite à l'augmentation du nombre de film inter granulaire liquide par unité de volume et a retardé l'atteinte du point de cohérence. L'augmentation de la teneur en silicium réduit considérablement la vulnérabilité à la déchirure à chaud de l'alliage Al-2%Cu; cette réduction est attnbuable à une augmentation de la fraction volumique de l'eut ectique, et une diminution du point de fusion de l'alliage. L'ajout du Sr a détérioré la résistance à la déchirure à chaud en raison de la formation d'oxydes de Sr et à l'extension de l'échelle de congélation de l'alliage. Il a été signalé que les particules os-Fe peuvent gêner la propagation de la fissure lors de la déchirure à chaud.