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

Résumé

Grâce à leurs caractéristiques de basse masse volumique, de bas point de fusion, d'excellente coulabilité et de bonne résistance à la corrosion, les alliages aluminiumsilicium Al-Si sont intensivement employés dans diverses applications d'automobiles et même dans l'aérospatiale. Les pièces produites à partir de ces alliages s'étendent à plusieurs usages, à savoir, des blocs de moteur, des culasses et des roues.

De nombreux facteurs définissent la microstructure, les propriétés et la qualité de l'alliage. D'importance primaire sont la taille des grains, la dimension des cellules dendritiques ou encore l'espace interdendritique, et la forme et la distribution du mélange eutectique, qui est constitué principalement de silicium.

Une structure granulaire fine et équiaxe est toujours désirée puisque une taille de grain plus fine favorise une solidité améliorée de moulage en réduisant au minimum le phénomène de rétrécissement, le craquage à chaud et la porosité d'hydrogène. Pour réaliser l'affinage des grains, la manière la plus largement pratiquée est de présenter des noyaux de germination efficaces dans le métal liquide à l'aide des raffineurs de grain d'Al-Ti-B qui contiennent habituellement des germes actifs comme le TiAJb, T1B2, AIB2 ou encore (ALTi)B2. Quant à la modification de la morphologie du silicium eutectique de sa forme brute aciculaire à une forme fibreuse ou globulaire, elle est habituellement réalisée par l'addition du strontium (Sr), et ce dans le but d'améliorer la ductilité de l'alliage.

Cependant, lors de la réalisation de l'affinage des grams et de la modification du silicium eutectique, de fortes interactions s'établissent entre certains éléments de l'affineur de grain (principalement le bore) et l'agent de modification (Sr). Cette affinité mutuelle entre le strontium et le bore affecte directement le degré d'affinage des grains d'aluminium et le degré de modification des particules eutectiques de silicium.

L'objectif du travail actuel est d'établir, d'une part les mécanismes conventionnels de l'affinage des grains, et d'autre part, l'effet de l'interaction affinagemodification dans les alliages Al-Si sur la réalisation d'affinage des grains et la modification du silicium eutectique. Pour ce but, de l'aluminium pur, l'alliage hypoeutectique A356 (~ 7%Si) et l'alliage hypereutectique A390 (~ 17%Si) ont été utilisés tout au long de ce travail de recherche. Divers alliages mères (affineurs de grain) ont été utilisés, à savoir, Al-10%Ti, Al-5%Ti-l%B, Al-2.5%Ti-2.5%B, Al-1.7%Ti- 1.4%B et A1-4%B. Après la préparation du métal liquide, diverses concentrations de ces alliages mères ont été ajoutées au bain liquide selon l'objectif désiré. Quant à l'ajout du strontium (Sr), l'addition de cet élément a été effectuée par l'alliage mère Al-10%Sr. Les différentes coulées ont été réalisées dans un moule en graphite préchauffé avec un taux de refroidissement de l'ordre de 0.8 °C/s. Le métal liquide a été porté à deux températures de surchauffe, 750 °C & 950 °C.

Les effets de ces variables sur la température de nucléation et la morphologie de la phase dendritique a-Al, et sur la modification du silicium eutectique ont été examinés en détail. Afin d'examiner le matériau obtenu, plusieurs techniques ont été employées pour la caractérisation microstructurale et l'identification des phases. Ces techniques incluent l'analyse thermique, la microscopie optique, la métallographie quantitative à l'aide de la technique d'analyse d'images, l'analyse par microsonde, la cartographie par rayons X, la spectroscopie de longueur d'onde (WDS), ainsi que les rayons X à énergie dispersive (EDX) en plus de l'électron diffusé.

L'introduction de titane sous forme Al-10%Ti ou de poudre mène à la formation d'intermétalliques ultrafins de type (ALSi^Ti Ces derniers constituent des emplacements de nucléation pour la phase a-Al. Lorsqu'il est ajouté au métal liquide, l'alliage mère Âl- 4%B montre une puissance remarquable en comparaison avec d'autres affineurs de grain. Pour cet alliage mère, le titane résiduel dans l'alliage A356 réagit avec le bore B pour former TIB2 qui, par la suite, agit comme un germe actif à côté de AIB2 pour la phase a- Al.

L'addition du strontium et de faffineur de grain Al-5%Ti-l%B montre une certaine affinité entre le modificateur et le bore. Cette affinité, limitée par la surface extérieure des TiBi, désactive partiellement l'effet de l'affineur puisque la taille granulaire minimum est obtenue pour une teneur en Ti de 0,2 à 0.3% en poids, comparativement à celle obtenue lors de l'addition de Al-10%Ti et du strontium. La microstmcture de l'eutectique est constituée à la fois de flocons et des particules fibreuses.

La présence du strontium et du bore affecte complètement la microstructure del'alliage. En effet, un atome de Sr s'unit avec 6 atomes de B pour former un composé dont la formule stoechiométrique est de type SrBô, désactivant par conséquent la modification et la réduction de la taille des grains. Une forte relation existe entre l'addition en B et le niveau de récupération du Sr. En générai ce niveau décroît considérablement avec l'augmentation progressive en B dans le métal liquide.

L'introduction de AIB2 sous forme A1-4%B dans les alliages contenant des traces en titane mène à la réaction entre le bore et le titane pour former des T1B2. L'affinage des grains est réalisé principalement grâce à TiBa plutôt qu'à AIB2, ou bien les deux, dépeodamment de la teneur en titane dans l'alliage donné. Dans la présence du strontium, le bore réagit avec le strontium pour former des composés de type SrBe qui est supposé un _affineur très faible. L'affinité entre le titane et le bore est plus élevée que l'affinité existant entre le bore et le strontium. Notons aussi que le B ne réagit pas avec le Si à l'opposé du titane, cependant, il mène à de meilleurs résultats.

Des additions plus élevés de chaque affineur et des temps de maintien longs du bain liquide mènent à l'agglomération et la décantation des particules intermétalliques primaires, provoquant des effets délétères sur l'affinage et sur la modification, et par conséquent sur les propriétés mécaniques.

Après addition 0.1 %Ti en poids sous forme Al-10%Ti, la taille granulaire dans l'alliage A356, coulé après 10 min de temps de maintien, diminue d'environ 1850 p,m à ~ 600 (lira, équivalent à un pourcentage de réduction de 67%. La même addition en Ti dans l'alliage faypereutectique 390, coulé après 10 min, réduit sa taille initiale variant de 1450 à 1600 um, à environ 1200 um, équivalent à un pourcentage de réduction de 25% seulement.

La présence du silicium en excès dans les alliages Al-Si entraîne une forte interaction entre le titane et le silicium. Cette importante affinité mène à la formation des phases de type (Al,Si)2Ti affaiblissant les opportunités de nucléation de la phase dendritique et diminuant par conséquent le degré d'affinage des grains. Cette phase de disiliciure de titane a tendance à se former davantage quand le métal liquide est maintenu pour de longues périodes.

Comme les sites de nucléation (AljTi) changent en composition en fonction du pourcentage du Si dans l'alliage, le terme "empoisonnement" rencontré fréquemment dans diverses études et recherches, pour expliquer la perte ou affaiblissement du pouvoir d'un tel affineur, est mal employé. Puisque ces sites subissent une transformation phasique (AI3TI ?> (Al,SifoTi -» (Al,Si)2Ti)5 leur efficacité pour micléer la phase préeutectique a-Al s'affaiblit. Cet affaiblissement est dû principalement à une nouvelle structure cristalline adoptée par ces germes actifs. D'où l'écartement du terme "empoisonnement" est sollicité dans la description d'un affaiblissement ou effacement du pouvoir d'affineur de grain.

À l'opposé des observations concernant les paramètres caractérisant le silicium eutectique dans l'alliage hypoeutectique A356, l'addition combinée en Sr et en B semble avoir un meilleur impact sur les paramètres de la phase eutectique du silicium dans l'alliage hypereutectique. Ceci a été remarqué puisque les températures de nucléation et de croissance du Si eutectique sont basses avec une sur&sion importante. Ce qui laisse à prédire qu'une addition progressive en B dans les alliages à haute concentration en Si, en augmentant le temps de maintien du métal liquide, peut occasionner une certaine modification en présence du strontium.