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

Résumé

Pour répondre aux exigences croissantes des alliages d'aluminium dans les pièces de moteur et pour explorer le potentiel des alliages d'aluminium coulé de nouvelle génération dans les applications de moteur, leurs propriétés à haute température et leur stabilité thermique sont très préoccupantes. Dans les travaux actuels, les éléments de transition (V, Zr, Mo, Sc) ont été introduits dans des alliages de type Al-Si 356 et de type Al-Cu 224 pour découvrir leur influence sur l'évolution des dispersoïdes et des précipités puis sur la haute température propriétés pendant le maintien thermique à long terme. Les résultats peuvent être divisés en deux parties suivantes. Dans la première partie, des ajouts individuels / combinés d'éléments de transition (V, Zr et Mo) ont été introduits dans des alliages coulés de type Al-Si 356 (Al-7Si-0,6Cu-0,35Mg) à deux vitesses de refroidissement pour étudier leur influence sur le comportement de précipitation des dispersoïdes et propriétés mécaniques à haute température. Les ajouts individuels et combinés de V, Zr, Mo ont contribué à la formation de plus d'intermétalliques et de dispersoïdes. On trouve que le microalliage de Zr a une bonne capacité d'affinage des grains de 356 alliages. V a un effet d'affinage du grain inférieur à celui de Zr. Cependant, l'ajout de Mo est visiblement nocif pour l'effet d'affinage du grain. L'addition de V produit la précipitation à la fois des dispersoïdes (Al,Si)3M et des α-dispersoïdes, tandis que l'addition de Zr favorise les dispersoïdes de type (Al,Si)3M. L'addition de Mo favorise efficacement les dispersoïdes α-Al(Mn,Mo,Fe)Si et réduit considérablement la taille des dispersoïdes et augmente la densité numérique des dispersoïdes, conduisant au meilleur effet de renforcement parmi 3 éléments. L'addition combinée de V, Zr et Mo produit le plus grand nombre de dispersoïdes fins parmi les cinq alliages étudiés, mais la plupart des dispersoïdes sont de (Al,Si)₃M-type. La séquence de l'effet de renforcement sur le rendement à haute température / la résistance ultime est (V+Zr+Mo) > Mo > Zr > V. Une vitesse de refroidissement élevée peut généralement affiner les grains, les intermétalliques, les dispersoïdes et augmenter la densité globale du nombre de dispersoïdes. Dans la deuxième partie des travaux, l'évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques de l'alliage moulé de type Al-Cu 224 type (Al-4,8Cu-0,33Mn-0,13Mg-0,09Si) avec microalliage individuel / combiné d'éléments de transition (Zr, V et Sc) ont été étudiés. Les résultats ont montré que Zr et V peuvent être bien dissous dans la matrice d'aluminium, tandis que le Sc conduit à former des particules de W-AlScCu à peine dissoutes pendant le traitement en solution. A l'état T7, le renforcement de Zr et V ne sont pas évidents, car ils conduisent au retard du processus de précipitation avec une fraction θ′′ plus élevée que l'alliage de base. Cependant, après stabilisation à 300 °C pendant 100 h, les précipités ont grossi et transférés en θ′, et l'alliage contenant du Zr a une résistance beaucoup plus élevée en raison de sa résistance super grossissante des phases θ′ ainsi que de la précipitation de L12 Al3(Zr,Ti) dispersoïdes. L'alliage avec Zr et V combinés possède la résistance la plus élevée parmi tous les alliages, et sa limite d'élasticité à haute température après stabilisation à 300 °C peut atteindre 125 MPa par rapport à 85 MPa de l'alliage de base 224. L'alliage avec Sc et Zr combinés présente des propriétés préférables après stabilisation et une meilleure résistance au fluage grâce à la combinaison d'une bonne résistance au grossissement θ 'et des dispersoïdes L12 Al3(Sc,Zr,Ti).

To satisfy the increasing requirements of aluminum alloys in engine parts, and to explore the potential of next generation’s cast aluminum alloys in the engine applications, their high-temperature properties and thermal stability are of great concern. In present work, the transition elements (V, Zr, Mo, Sc) have been introduced into Al-Si 356 type alloys and Al-Cu 224 type alloys to discover their influence on the evolution of dispersoids and precipitates and then the high-temperature properties during the long-term thermal holding. The results can be divided into the two following parts. In the first part, individual/combined additions of transition elements (V, Zr and Mo) were introduced into Al-Si 356 type (Al-7Si-0.6Cu-0.35Mg) cast alloys at two cooling rates to study their influence on the precipitation behaviour of dispersoids and high temperature mechanical properties. Both individual and combined additions of V, Zr, Mo contributed the formation of more intermetallics and dispersoids. The microalloying of Zr is found to have a good grain refining capability of 356 alloys. V has lower grain refining effect compared to Zr. However, Mo addition is conspicuously harmful to the grain refining effect. The addition of V produces the precipitation of both (Al,Si)3M dispersoids and αdispersoids, while the Zr addition promotes (Al,Si)3M type dispersoids. The addition of Mo effectively promotes α-Al(Mn,Mo,Fe)Si dispersoids and significantly reduces the dispersoid size and increase the number density of dispersoids leading to the best strengthening effect among 3 elements. The combined addition of V, Zr and Mo produces the largest number of fine dispersoids among all five alloys studied, but the most of the dispersoids are (Al,Si)3M-type. The sequence of strengthening effect on the hightemperature yield/ultimate strength is (V+Zr+Mo) > Mo > Zr > V. High cooling rate can generally refine the grains, intermetallics, dispersoids and increase the overall dispersoid number density. In the second part of the work, the evolution of microstructure and mechanical properties of Al-Cu 224 type (Al-4.8Cu-0.33Mn-0.13Mg-0.09Si) cast alloy with individual/combined microalloying of transition elements (Zr, V and Sc) were investigated. The results showed that Zr and V can be well dissolved in the aluminum matrix, while the Sc leads to form some hardly-dissolved W-AlScCu particles during solution treatment. At T7 state, the strengthening of Zr and V are not obvious, because they lead to the delay of precipitation process with higher θ′′ fraction than the base alloy. However, after stabilization at 300 °C for 100 h, the precipitates coarsened and transferred to θ′, and the Zr-containing alloy have much higher strength due to its super coarsening resistance of θ′ phases as well as the precipitation of L12 Al3(Zr,Ti) dispersoids. The alloy with combined Zr and V possesses the highest strength among all of the alloys, and its high-temperature yield strength after stabilization at 300 °C can reach as high as 125 MPa relative to 85 MPa of the 224 base alloy. The alloy with combined Sc and Zr has preferable properties after stabilization and best creep resistance due to the combination of good θ′ coarsening resistance and L12 Al3(Sc,Zr,Ti) dispersoids.