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

Résumé

The high-temperature mechanical properties and thermal stability of cast aluminum alloys become more and more important nowadays to satisfy the increasing demand of aluminum alloys in automobile industry and to develop the next generation engine materials. Al-Cu alloys are widely used in engine application especially in engine blocks and cylinder heads. In the present work, various contents of Si are added in Al-Cu 224 type alloys to investigate the effect of Si on the evolution of precipitates and mechanical properties during long-term thermal exposure. In addition, transition elements (Zr, V and Mn) and a new 2-step heat-treatment are introduced to test the possibility of further improving the mechanical properties of high-Si Al-Cu 224 alloys. The first part focuses on the effect of Si on the evolution of precipitates and mechanical properties during long-term thermal exposure up to 1000h at 300 °C in Al-Cu 224 alloys. The results show that the addition of Si promotes the precipitation of θ’ precipitates during aging and then increases the mechanical properties at T7 condition. The compressive yield strength at room temperature increases from 316 MPa in 0.1Si alloy to 355 MPa in 0.8Si alloy, while it increases from 120MPa to 139 MPa at 300 °C. However, during thermal exposure at 300 °C (T7A conditions), the mechanical properties are decreasing with increasing exposure time due to the coarsening of precipitates, and significantly declining with increasing Si contents. The yield strength at room temperature of 0.8Si alloy drops from 355 MPa to 108 MPa only after 100 h of thermal exposure, while it is as high as 130 MPa in 0.1Si alloy after 1000 h of thermal exposure. The creep resistance also dramatically decreases with increasing Si. Besides the high total strain, the steady creep rate of 0.8Si alloy is also one or two orders of magnitude higher than 0.1Si alloy. A hypothesis is proposed to explain the coarsening behavior of θ’ precipitates with Si additions that Si segregation at α-Al matrix/θ’ precipitates interface could accelerate the coarsening of θ’ precipitates. The short inter-precipitates spacing and high surface to volume ratio in high Si alloys at T7 condition also plays an important role as they shorten the diffusion distance. In the second part, transition elements Zr, V and Mn are added in 0.5Si alloy. Meanwhile, a new 2-step heat-treatment is applied to form α-dispersoids and Al3M dispersoids. The results show that the micro-alloying increases the mechanical properties at T7A conditions, and the 2-step teat-treatment can further improve the thermal stability of the alloy with transition elements. At T7 state, no obvious improvement of mechanical properties is observed. The sequence of high-temperature mechanical properties enhancement can be written as: the alloy with transition element + 2-step heat-treatment > the alloy with transition elements + conventional heat-treatment > the base alloy +2-step heat-treatment > the base alloy +conventional heat-treatment. The role of transition elements and heat treatment on the improvement of mechanical properties is explained as slowing the coarsening of θ’ precipitates, and the formation of dispersoids provides the supplementary contribution to the elevated-temperature mechanical properties.

Les propriétés mécaniques à haute température et la stabilité thermique des alliages d'aluminium oulés deviennent de plus en plus importantes afin de satisfaire la demande croissante d'alliages d'aluminium dans l'industrie automobile et pour développer les matériaux pour moteurs de nouvelle génération. Les alliages Al-Cu sont largement utilisés dans les applications moteurs, en particulier dans les blocs moteurs et les culasses. Dans le présent travail, diverses teneurs en Si sont ajoutées dans des alliages de type Al-Cu 224 pour étudier l'effet du Si sur l'évolution des précipités et des propriétés mécaniques lors d'une exposition thermique à long terme. De plus, des éléments de transition (Zr, V et Mn) et un nouveau traitement thermique en 2 étapes est utilisé pour tester la possibilité d'améliorer encore les propriétés mécaniques des alliages Al-Cu 224 à haute teneur en Si. La première partie se concentre sur l'effet du Si sur l'évolution des précipités et des propriétés mécaniques lors d'une exposition thermique de longue durée jusqu'à 1000 h à 300 °C dans les alliages Al-Cu 224. Les résultats montrent que l’ajout de Si favorise la précipitation des précipités θ’ au cours du vieillissement et augmente alors les propriétés mécaniques à la condition T7. La limite d'élasticité en compression à température ambiante augmente de 316 MPa dans l’alliage 0.1Si à 355 MPa dans l’alliage 0.8Si, tandis qu'elle augmente de 120 MPa à 139 MPa à 300 °C. Cependant, lors d'une exposition thermique à 300 °C (conditions T7A), les propriétés mécaniques diminuent avec l'augmentation du temps d'exposition en raison du grossissement des précipités, et diminuent significativement avec l'augmentation de la teneur en Si. La limite d'élasticité à température ambiante de l'alliage 0.8Si chute de 355 MPa à 108 MPa seulement après 100 h d'exposition thermique, alors qu'elle atteint 130 MPa dans l'alliage 0.1Si après 1000 h d'exposition thermique. La résistance au fluage diminue également considérablement avec l'augmentation du Si. Outre la déformation totale élevée, le taux de fluage constant de l'alliage 0,8Si est également supérieur d'un ou deux ordres de grandeur à celui de l'alliage 0.1Si. Une hypothèse est proposée pour expliquer le comportement grossissant des précipités θ’ avec des ajouts de Si, selon laquelle la ségrégation du Si à l'interface matrice α-Al/précipités θ’ pourrait accélérer le grossissement des précipités θ’. Le court espacement entre les précipités et le rapport surface/volume élevé dans les alliages à haute teneur en Si à l'état T7 jouent également un rôle important car ils raccourcissent la distance de diffusion. Dans la deuxième partie, des éléments de transition Zr, V et Mn sont ajoutés en alliage 0,5Si. Pendant ce temps, un nouveau traitement thermique en 2 étapes est appliqué pour former des dispersoïdes α et des dispersoïdes Al3M. Le résultat montre que le micro-alliage augmente les propriétés mécaniques dans les conditions T7A et que le traitement des trayons en 2 étapes peut encore améliorer la stabilité thermique de l'alliage avec des éléments de transition. A l’état T7, aucune amélioration évidente des propriétés mécaniques n’est observée. La séquence d'amélioration des propriétés mécaniques à haute température peut s'écrire comme suit : l'alliage avec élément de transition + traitement thermique en 2 étapes > l'alliage avec éléments de transition + traitement thermique conventionnel > l'alliage de base + traitement thermique en 2 étapes > le alliage de base + traitement thermique conventionnel. Le rôle des éléments de transition et du traitement thermique sur l’amélioration des propriétés mécaniques est expliqué par le ralentissement du grossissement des précipités θ’, et la formation de dispersoïdes apporte une contribution supplémentaire aux propriétés mécaniques à température élevée.