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

Résumé

Le traitement du métal semi-solide, MSS, fait référence a des gelées semi-solides contenant des particules non dendritiques qui sont dispersées dans une matrice liquide, le tout ayant une viscosité apparente voisine de celle du liquide. Cette masse peut s'écouler facilement sous pression et remplir les cavités complexes d'un moule pour fabriquer des produits de qualité et de haute-intégrité. La gelée de MSS peut être préparée par différentes méthodes. Dans la présente étude la coulée conventionnelle et la procédure SEED ont été utilisées pour produire des billettes de MSS avec différentes morphologies de la phase primaire a-Al dans l'alliage Al-Si A356. Pour la coulée conventionnelle, une gamme de morphologies de particules solides et de microstructures, ont été obtenues en variant température d'alimentation. Pour les billettes SEED, nouveau brevet d'ALCAN international pour la coulée semi-solide, les changements de morphologies ont été réalisés en contrôlant les paramètres du procédé pendant la solidification de la masse.

Afin d'étudier l'évolution morphologique due à l'effet des différents paramètres du procédé, la température d'alimentation et les intensités de brassage, les billettes MSS préparées par les deux méthodes ont été étudiées en utilisant la métallographie quantitative. La microstructure de l'alliage de MSS A356 a été également caractérisée en utilisant une méthode innovatrice, soit la viscométrie par la compression entre plaques parallèles, ce qui a permis d'obtenir une corrélation entre la morphologie et la viscosité. L'objectif principal de la présente recherche était de tirer partie de principes rhéologiques pour étudier le comportement à la déformation de l'alliage A3 56 pour différentes morphologies et fractions solides, en traitent des billettes de MSS comme des fluides newtoniens et non newtoniens, respectivement. En outre, deux relations empiriques ont été proposées pour mettre en évidence le lien entre la viscosité, la fraction solide et la morphologie. Afin de confirmer d'avantage la fiabilité des résultats des tests et de montrer que la dimension de l'échantillon n'a aucun effet sur les valeurs finales de la déformation et de la viscosité, une nouvelle série d'essais a été réalisée en utilisant deux types de spécimens ayant un rapport d'aspect (hauteur/diamètre) de 0.4 et de 1.8.

On a constaté que la coulée conventionnelle des billettes à basse température d'alimentation (soit 615°C), donne des grains très fins et equiaxes tandis que les billettes façonnées à haute température d'alimentation (695°C) ont une structure dendritique. Pour les billettes SEED, on a noté que le brassage a raffiné les dendrites primaires et a favorisé la formation de particules oc-Al en rosettes et/ou globulaires. L'efficacité de l'augmentation du brassage peut être due à la réduction de la ségrégation des éléments d'alliage au front de solidification et à un meilleur transfert thermique entre le moule et le liquide conduisant ainsi à un faible gradient de température pour résultat d'un meilleur raffinage et la formation d'une structure equiaxe. On n'a noté aucune évidence d'eutectique emprisonnée dans les particules primaires d?a - Al, un des avantages la technologie SEED.

Les résultats ont montré qu'une diminution de la température d'alimentation jusqu'au liquidus (615°C) améliore les caractéristiques d'écoulement des billettes. Les valeurs de viscosité calculées pour les billettes comportant des particules primaires globulaires de a-Al sont presque trois ordres de grandeur inférieures à celles obtenues pour les billettes possédant une structure entièrement dendritique. La différence des valeurs est réduite à un ordre de grandeur dans le cas d'une morphologie de rosette comparé à celui d'une morphologie globulaire. L'application d'un brassage pendant la solidification a un effet évident sur la déformabilité et la viscosité des billettes de MSS préparées par la méthode SEED. Pour les billettes produites à 695°C, les résultats montrent une déformation supérieure et une valeur de viscosité à la laisse lorsque l'intensité de brassage s'accent, ceci étant du à la structure globulaire de la billette. Une diminution de l'intensité de brassage amène un certain degré de résistance à la déformation due à la morphologie rosette ou dendritique. Pour les billettes coulées à 645°C, la mise en ?uvre du brassage augmente la déformation. Dans le cas d'une coulée à 630°C, le brassage est important pour induire une distribution uniforme de la température à travers le liquide ce qui conduit à une structure globulaire et une meilleure déformabilité. L'intensité de la pression appliquée est également un paramètre important pour différencier les structures. L'affinage des grains a été identifié comme facteur principal pour une meilleure déformabilité des billettes. La modification joue également un rôle important sur la déformabilité des alliages en réduisant de la tension superficielle du liquide résiduel, ce qui réduit la viscosité apparente des billettes.

Deux équations empiriques ont été présentées pour le comportement rhéologique des billettes de MSS en utilisant la viscosité comme paramètre principal;

logn = 5.56-1.39fs-(1.56fs +0.14)logoy logn = -1.85+4.9AR-(0.255AR +0.03)logoy

Les relations empiriques expriment l'effet direct de la fraction solide et de la morphologie sur la viscosité des billettes semi solides. La validité de ces équations a été confirmée en portant en graphique le logarithme de la viscosité en fonction du taux de cisaillement pour différentes fractions solides et morphologies. Une bonne concordance a été trouvée entre les valeurs prédites et les résultats précédemment rapportés dans la littérature.

L'effet négligeable de la dimension de l'échantillon sur la viscosité des billettes de MSS a été également confirmée, où les mêmes valeurs déformation et de viscosité ayant été obtenues pour des billettes de grande échelle et des disques de petite taille. Les résultats montrent qu'en utilisant des échantillons à grande échelle, le mouvement axial des billettes pourrait être négligée par rapport a l'écoulement radial pendant l'étape de déformation a l'état d'équilibre, où la grandeur de viscosité évalue, sont dans la même gamme pour

les deux ensembles d'échantillons; (h?d > 1 ) et (h«d) respectivement.