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

Résumé

Aluminum cast alloys have gained extensive utilization within the automotive industry as substitutes for gray cast iron in the fabrication of crucial combustion engine components, including engine blocks and cylinder heads. Notably, Al–Cu cast alloys have garnered substantial attention for their applications in internal combustion engines due to their high strength-to-weight ratio and superior mechanical performance, both at ambient and elevated temperatures. However, the ongoing advancements in engine technology necessitate operation under elevated conditions, including high operating temperatures (~300 ℃) and enhanced combustion pressures (~200 bar). Consequently, this arises a need to further enhance the elevated-temperature performances, encompassing strength, resistance to creep, and fatigue endurance, of Al-Cu alloys to align with the evolving demands of future engines. Recent investigations have revealed that the high-temperature properties of Al-Cu alloys can be significantly improved by microalloying. Hence, this project focuses on the incorporation of microalloying elements, specifically magnesium and transition elements (titanium, zirconium, vanadium), to comprehensively investigate their influence on the elevated-temperature properties of Al-Cu 224 cast alloys. In the first part, the influence of microalloying with Mg (0–0.36 wt.%) on the elevated-temperature strength and creep resistance of Al-Cu 224 cast alloys was investigated. The Mg-containing alloys yielded finer and denser θ′ precipitates after high-temperature stabilization (300 ℃/100 h) than the Mg-free alloy, which improved the yield strength at both room temperature and 300 ℃. Compressive creep tests were conducted at 300 ℃ over a wide range of the applied stresses (45–100 MPa). The results showed that the creep resistance increased with increasing Mg content at any fixed applied stress, and the alloy with 0.36 wt.% Mg exhibited the best creep resistance among the four alloys studied. During creep deformation, the θ′ precipitates continued to coarsen. However, Mg microalloying greatly stabilized the θ′ precipitates in the matrix by slowing down the coarsening process. An obvious break was observed in the creep rate curves with different stress exponents (n). Below the break in the low-stress regime (LSR), stress exponent (n) was ~ 3, whereas it increased to 9-12 above the break in the high-stress regime (HSR). In the LSR, the creep was controlled by the dislocation climbing, and it transformed into the Orowan looping in the HSR. In the second part, the effects of individual and combined additions of transition elements (TEs) Zr, Ti, and V on the microstructure evolution and elevated-temperature mechanical and creep properties of Al-Cu 224 cast alloys were investigated. All alloys had a mixed precipitate microstructure of θʺ- and θʹ-Al2Cu after T7 heat treatment. During the thermal exposure at 300 ℃, θʺ transferred into θʹ as the predominant strengthening phase. The coarsening resistance of θʹ during the thermal exposure and further creep deformation was greatly improved by the addition of TEs. Individually, Zr addition demonstrated the best efficiency in stabilizing θʹ, while the combination of Zr + V and Ti + Zr + V achieved the highest efficiency. The addition of TEs generally improved the yield strength (YS) at 300 ℃, and the ZrV and TiZrV alloys achieved the highest YS. A close correlation between the YS and the distribution and thermal stability of θʹ was observed. The creep resistance at elevated temperatures was affected by the thermal stability of θʹ and grain size. Zr-containing alloys (ZrV, Zr, and TiZrV) exhibit superior creep resistance. In terms of comprehensive properties, the combined addition of TiZrV alloy exhibited the best elevated-temperature performance. In the third part, the effects of Mg addition on the cyclic deformation and fatigue life behaviors of Al-Cu 224 cast alloys were investigated under isothermal low cycle fatigue (LCF) at 300 ℃ and out-of-phase thermo-mechanical fatigue (OP-TMF) in the temperature range 60–300 ℃. The results show that all tested alloys experienced cyclic softening during both LCF and OP-TMF, whereas the softening ratio of Mg-containing alloys was lower than that of the base alloy free of Mg because of the lower coarsening rate of θ'-Al2Cu precipitates. Under both LCF and TMF, near-surface porosity and brittle intermetallic particles were considered sources of crack initiation. TMF lives were inferior to LCF lives under the same strain amplitude because of the combined damage effect of the cyclic mechanical and thermal loadings. Under LCF, the addition of Mg enhanced the fatigue performance because of the co-existing θʺ and θʹ precipitates and the higher thermal resistance of θʹ; under TMF, it led to a slight reduction in fatigue performance. The hysteresis energy model was successfully applied to predict the LCF and TMF lifetimes. The predicted results agree well with the experimentally measured LCF and TMF lifetimes.

Les alliages coulés en aluminium ont gagné une utilisation extensive dans l'industrie automobile en tant que substituts de la fonte grise dans la fabrication de composants cruciaux des moteurs à combustion, y compris les blocs moteurs et les culasses. Notamment, les alliages coulés Al-Cu ont attiré une attention substantielle pour leur application dans les moteurs à combustion interne en raison de leur rapport élevé résistance-poids et de leurs performances mécaniques supérieures, à la fois à température ambiante et à température élevée. Cependant, les avancées continues dans la technologie des moteurs nécessitent un fonctionnement dans des conditions élevées, notamment des températures de fonctionnement élevées (~300 ℃) et des pressions de combustion améliorées (~200 bars). Par conséquent, il est nécessaire d'améliorer davantage les caractéristiques à température élevée, notamment la résistance, la résistance au fluage et l'endurance à la fatigue, des alliages Al-Cu pour répondre aux exigences évolutives des moteurs futurs. Des enquêtes récentes ont révélé que les propriétés à haute température des alliages Al-Cu peuvent être considérablement améliorées par microalliage. Ainsi, ce projet se concentre sur l'incorporation d'éléments de microalliage, notamment le magnésium et les éléments de transition (titane, zirconium, vanadium), pour examiner de manière approfondie leur influence sur les propriétés à température élevée des alliages coulés Al-Cu 224. Dans la première partie, l'influence du microalliage avec Mg (0-0,36 % en poids) sur la résistance à température élevée et la résistance au fluage des alliages coulés Al-Cu 224 a été étudiée. Les alliages contenant du Mg ont donné des précipités θʹ plus fins et plus denses après une stabilisation à haute température (300 ℃/100 h) que l'alliage sans Mg, ce qui a amélioré la limite d'élasticité à la fois à température ambiante et à 300 ℃. Des tests de fluage en compression ont été menés à 300 ℃ sur une large gamme de contraintes appliquées (45-100 MPa). Les résultats ont montré que la résistance au fluage augmentait avec la teneur croissante en Mg à toute contrainte appliquée fixe, et l'alliage avec 0,36 % en poids de Mg présentait la meilleure résistance au fluage parmi les quatre alliages étudiés. Pendant la déformation de fluage, les précipités θʹ continuaient à grossir. Cependant, le microalliage au Mg stabilisait considérablement les précipités θʹ dans la matrice en ralentissant le processus de grossissement. Une rupture évidente a été observée dans les courbes de taux de fluage avec différents exposants de contrainte (n). En dessous de la rupture dans le régime de faible contrainte (LSR), l'exposant de contrainte (n) était d'environ 3, tandis qu'il augmentait à 9-12 au-dessus de la rupture dans le régime de haute contrainte (HSR). Dans le LSR, le fluage était contrôlé par la montée de la dislocation, et il se transformait en bouclage d'Orowan dans le HSR. Dans la deuxième partie, les effets des ajouts individuels et combinés d'éléments de transition (TE) Zr, Ti et V sur l'évolution de la microstructure et les propriétés mécaniques et de fluage à température élevée des alliages coulés Al-Cu 224 ont été étudiés. Tous les alliages avaient une microstructure de précipités mixtes θʺ- et θʹ-Al2Cu après un traitement thermique T7. Pendant l'exposition thermique à 300 ℃, θʺ se transformait en θʹ en tant que phase de renforcement prédominante. La résistance au grossissement de θʹ pendant l'exposition thermique et la déformation par fluage ultérieure étaient grandement améliorées par l'addition d'ET. Individuellement, l'ajout de Zr a démontré la meilleure efficacité pour stabiliser θʹ, tandis que la combinaison Zr + V et Ti + Zr + V a atteint la plus haute efficacité. L'addition d'ET a généralement amélioré la limite d'élasticité (LE) à 300 ℃, et les alliages ZrV et TiZrV ont atteint la LE la plus élevée. Une corrélation étroite entre la LE et la distribution et la stabilité thermique de θʹ a été observée. La résistance au fluage à des températures élevées a été affectée par la stabilité thermique de θʹ et la taille des grains. Les alliages contenant du Zr (ZrV, Zr et TiZrV) présentent une résistance au fluage supérieure. En termes de propriétés globales, l'addition combinée de l'alliage TiZrV a présenté la meilleure performance à température élevée. Dans la troisième partie, les effets de l'ajout de Mg sur les comportements de déformation cyclique et de durée de vie en fatigue des alliages coulés Al-Cu 224 ont été étudiés lors de la fatigue cyclique isotherme à 300 ℃ et de la fatigue thermomécanique hors phase (OP-TMF) dans la plage de température de 60 à 300 ℃. Les résultats montrent que tous les alliages testés ont subi un ramollissement cyclique à la fois lors de la LCF et de l'OP-TMF, tandis que le rapport de ramollissement des alliages contenant du Mg était inférieur à celui de l'alliage de base sans Mg en raison du taux de grossissement plus faible des précipités θ'-Al2Cu. À la fois en LCF et en TMF, la porosité en surface et les particules intermétalliques cassantes étaient considérées comme sources d'amorçage de fissures. Les durées de vie en TMF étaient inférieures aux durées de vie en LCF pour la même amplitude de contrainte en raison de l'effet combiné des dommages dus aux charges mécaniques et thermiques cycliques. En LCF, l'ajout de Mg a amélioré les performances en fatigue en raison de la coexistence des précipités θʺ et θʹ et de la résistance thermique supérieure de θʹ; en TMF, il a conduit à une légère réduction des performances en fatigue. Le modèle d'énergie d'hystérésis a été appliqué avec succès pour prédire les durées de vie en LCF et en TMF. Les résultats prédits concordent bien avec les durées de vie en LCF et en TMF mesurées expérimentalement.