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

Résumé

Given the critical role of grain refinement in improving the castability and materials properties of wrought aluminum alloys, this project aims to optimize the grain refinement practice in aluminum casthouses. Efforts have been made to present a number of key points to consider when refining the 6111 wrought aluminum alloys, highlighting the potent grain refiners in terms of their efficiency. Moreover, comparisons were made based on the refiner potency in the grain size reduction, the resistance to the hot tearing and the reaction with the poisoning solutes. For these reasons, the present work is divided into two main parts. In the first part, the effects of different grain refiners (Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B and Al-3Ti-0.15C) on the grain size and morphology as well as hot tearing of 6111 aluminum alloy were investigated, taking in account of the direct chill casting parameters: grain refiner addition rates (1, 2 and 3Kg/T), Ti addition, and cooling rates (0.4 and 4°C/s). It was found that all three grain refiners can effectively reduce the grain size of 6111 alloy, and the Al-5Ti-1B refiner is the most effective in all conditions. The microstructure characterization of the refiner master alloys revealed that Al-5Ti-1B refiner had bigger Al3Ti particles, higher number density of TiB2 particles with more reasonable size distribution than the Al-3Ti-1B and Al-3Ti-0.15C refiners. With the increase of the refiner addition, the morphologies of the grains evolved from dendrite, cellular to globular morphology. Moreover, in addition to the grain refiner, the addition of titanium as solutes and the high cooling rate were beneficial to further grain size reduction. The grain refiners had also significant impact on hot tearing susceptibility in 6111 alloy. When the grain morphologies are dendritic, the addition of the grain refiner decreased the hot tearing susceptibility. However, a further refiner addition resulted in an increase of the hot tearing susceptibility despite the very small grains. In the second part, the poisoning effect of Cr on the grain refinement was investigated in 6111 aluminum alloys. The present work has taken in account of the DC casting parameters: Two cooling rates (0.4 and 4°C/s), Ti addition, three different grain refiners (Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B and Al-3Ti-0.15C) with different addition rates (1, 2 and 3Kg/T). It was found that a high concentration of Cr had a poisoning effect on the grain refinement, resulting in a coarse grain structure in all three grain refiners. SEM- EDS results revealed that the 3 kinds of intermetallics in the refiners (Al3Ti, TiB2 and TiC) could contain Cr in the particles surface. Higher % of Cr was always found in the Al3Ti particle surface compared to TiB2 and TiC particles, showing that Al3Ti particles were the most likely compound to be affected by such reaction with Cr. The Cr diffusion in the particles was found to increase with increasing the holding time. After that, the edge-to-edge matching model (E2EM) has been applied to examine the interfacial crystallographic matching between Al and intermetallic particles before and after Cr diffusion. Results based on E2EM calculations showed that the Cr diffusion into Al3Ti and TiC particles reduced the crystallographic matching of the particles with Al matrix, resulting in poor refinement efficiency. Coupling the present results with findings in literature, poisoning mechanisms were proposed to explain the Cr poisoning effect.

Étant donné le rôle critique d’affinage des grains dans l’amélioration de la coulabilité et des propriétés des alliages d’aluminium corroyés, ce projet vise à optimiser la pratique d’affinage des grains dans les fonderies d’aluminium. Des efforts ont été dédiés pour déterminer les facteurs clés à considérer lors de l’affinage des alliages d’aluminium corroyés 6111, tout en mettant l’accent sur les puissants raffineurs des grains. De plus, des études comparatives ont été établies sur le pouvoir affinant des raffineurs en termes de la réduction de la taille des grains, la résistance à la fissuration à chaud et la réaction avec les solutés empoisonnants. Pour ces raisons, le présent travail est divisé en deux grandes parties. Dans la première partie, les effets de différents raffineurs de grains (Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B et Al-3Ti-0.15C) sur la taille et la morphologie des grains ainsi que sur la fissuration à chaud de l'alliage d'aluminium 6111 ont été étudiés, tout en tenant compte des paramètres de la coulée semi-continue à refroidissement direct (Direct Chill): taux d'ajout du raffineur de grain (1, 2 et 3Kg/T), ajout de Ti, et vitesse de refroidissement (0,4 et 4°C/s). Les résultats ont prouvé que les trois raffineurs des grains peuvent réduire efficacement la taille des grains de l'alliage 6111, et le raffineur Al-5Ti-1B est le plus efficace dans toutes les conditions. La caractérisation de la microstructure des alliages mères des raffineurs a révélé que le raffineur Al-5Ti-1B avait de plus grosses particules d'Al3Ti, une densité numérique plus élevée de particules de TiB2 avec une distribution de taille plus raisonnable que les raffineurs Al-3Ti-1B et Al-3Ti-0.15C. Avec l'augmentation de l'ajout de raffineur, les morphologies des grains ont évolué d'une morphologie dendritique, cellulaire à globulaire. De plus, en plus du raffineur de grain, l'ajout de titane sous forme de soluté avec une vitesse de refroidissement élevée ont été bénéfiques pour une réduction supplémentaire de la taille des grains. Les raffineurs de grain ont également eu un effet significatif sur la susceptibilité à la fissuration à chaud de l'alliage 6111. Lorsque la morphologie des grains est dendritique, l'ajout du raffineur des grains a diminué la susceptibilité à la fissuration à chaud. Cependant, un ajout supplémentaire de raffineur a entraîné une augmentation de la susceptibilité à la fissuration à chaud malgré la taille très petite des grains. Dans la deuxième partie, l'effet d'empoisonnement du Cr sur l’affinage des grains a été étudié dans les alliages d'aluminium 6111. Le présent travail a pris en compte les paramètres de la coulée semi-continue à refroidissement direct (Direct Chill): deux vitesses de refroidissement (0,4 et 4 °C/s), ajout de Ti, trois affineurs de grains différents (Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B et Al-3Ti-0,15C) avec différents taux d'addition (1, 2 et 3Kg/T). Il a été constaté qu'une concentration élevée de Cr avait un effet d'empoisonnement sur l’affinage des grains, entraînant une structure à gros grains dans les trois raffineurs de grain. Les résultats SEM-EDS ont révélé que les 3 types d'intermétalliques présents dans les raffineurs (Al3Ti, TiB2 et TiC) pourraient contenir du Cr à la surface des particules. Un pourcentage plus élevé de Cr a été trouvé toujours à la surface des particules d'Al3Ti par rapport aux particules de TiB2 et TiC, ce qui montre que les particules d'Al3Ti étaient le composé le plus susceptible à une telle réaction avec le Cr. Il s'est avéré que la diffusion de Cr dans les particules augmente avec l'augmentation du temps de maintien. Après cela, le modèle d'appariement bord à bord (E2EM) a été appliqué pour examiner l'appariement cristallographique interfacial entre Al et les particules intermétalliques avant et après la diffusion de Cr. Les résultats basés sur les calculs (E2EM) ont montré que la diffusion de Cr dans les particules Al3Ti et TiC réduisait l'appariement cristallographique des particules avec la matrice Al, entraînant une faible efficacité d’affinage. Couplant les présents résultats avec les études de la littérature, des mécanismes d'empoisonnement ont été proposés pour expliquer l'effet d'empoisonnement au Cr.