Influence of zirconium and scandium on the microstructure, tensile properties, and hot-tearing susceptibility of Al-2WT%Cu-based alloys

Le developpement de nouveaux alliages, caracterises par un rapport resistance-poids eleve et par un faible cout de production est un des objectifs majeurs de l'industrie de l'automobile afin de reduire les emissions de CO2 en reduisant le poids des pieces tout en conservant les proprietes mecaniques a haute temperature. L'alliage Al-2%Cu contenant 2%Cu, l%Si, 0.4%Mg, 0,42%Fe, 0.7%Mn et 0.02%Ti est l'un de ces alliages. Sa faible teneur en Cu et Si associe a un niveau acceptable de la resistance a la traction, permet a ce dernier de remplacer un certain nombre d'alliages comme le 319 pour des applications similaires telles que la coulee de culasses et de bases de moteur. En tant que nouvel alliage, il necessite une enquete approfondie afin d'optimiser differentes caracteristiques telle la coulabilite, la microstructure et les proprietes mecaniques. Cette etude a ete entreprise afin d'etudier les effets des additifs chimiques comme le zirconium et le scandium sur la microstructure, les proprietes de traction et la susceptibilite a la dechirure a chaud. Cette enquete a ete realisee a partir de 31 compositions d'alliage (Al-2%Cu) qui ont ete divises en trois categories d'alliages principaux lies a la microstructure, les proprietes de traction et les enquetes sur la dechirure a chaud. A titre comparatif, sept compositions de l'alliage 206 (Al-4%Cu) ont egalement ete employees. Dans la premiere categorie, dix alliages ont ete coules utilisent comme principaux additifs le Zr et le Se en combinaison avec le Ti-B, le Sr et l'Ag sous des conditions de refroidissement lent d'environ 0,3°C/s et a des concentrations relativement elevees de 0,5%Zr et 0,5%Sc. Un certain nombre d'intermetalliques primaires de Zr, Se et Zr-Sc ont ete observes dans les alliages etudies, a savoir la phase etoilee Al3(Sci-xZrx), les phases AI3SC, V-AISC2S12, A^Zr, en plus de deux autres composes intermetalliques de Zr. Il a ete observe que les cristaux A^Zr servent de noyaux pour les phases etoilees qui croient par la precipitation des couches d'A^Sc, avec la substitution progressive des atomes Se par les atomes Zr. Egalement, la phase en etoile continue de croitre a l'etat solide par l'absorption de Se pour ainsi former la phase AI3SC, observee sous la forme de spirale sur les bords de la particule. Des composes intermetalliques inconnus ternaires AlZrSi et quaternaires AlZrTiSi ont egalement ete detectes. Il a ete constate que les additions combinees de Zr et Se ont grandement modifiees la taille et la morphologie des grains de l'alliage de base. La taille des grains diminue proportionnellement avec l'augmentation de la fraction volumique des intermetailiques resultants de l'ajout combine de Zr et de Se qui, a son tour, conduit a la formation a profusion de la phase etoilee. Les effets benefiques des elements de transition Zr, Se, Ti a affiner la taille des grains a-Al et a transformer la morphologie d'un precipite dendritique a tm non-dendritique mene, indirectement, a une reduction sensible de la taille des composes intermetalliques tels que les phases a - Fe et AfcCu. Dans la seconde categorie, dix-sept alliages differents ont ete prepares en utilisant differentes additions de Zr, Se, Ti-B, Sr, Ag et Si. Ces alliages ont ete divises en quatre11 sous-groupes, comme suit: Zr-Ti, Zr-Srs Zr-Sc et les alliages de silicium. Les barreaux pour les essais de traction (Vitesse de refroidissement 7°C/s) coules de ces alliages ont ete mis en solution pour une periode de 8 heures a 490°C, puis durci par vieillissement a des temps de 2, 4, 6, 10, 16, 24 et 48h a 180°C et 0.5, 1, 1.5, 2, 4, 6, 10, 16, 24 et 48h a 220°C. Il a ete signale que les additions combinees de Zr-Ti, Zr-Sr, Zr-Sc reduit considerablement la taille des grains de l'alliage de base de 219 microns a 104-46 um etant donne que ces elements forment des intermetalliques trialuminide primaire y compris Al3(Sci-xZrx), Al3(Scj.x. yZrxTiy), et AlsZr qui agissent comme sites de nucleation pour les grains a-Al, produisant ainsi une structure fine non dendritique. La morphologie raffinee non-dendritique produite par les additions combinees de Zr-Ti, Zr-Sr, Zr-Sc a entraine une reduction d'environ 65% dans la fraction de surface de la phase Ai-2%Cu dans l'alliage de base, et a une reduction de la porosite d'environ 50%. Une augmentation de 2%Si a egalement produit les memes resultats, provoquee par l'augmentation de la teneur en Al-Si eutectique. Le durcissement maximal est atteint apres des vieillissements de IOh et 24h a 180°C et de lh et 2h a 220°C. Les groupes d'alliage Zr-Sr et Zr-Ti ont fournis la meilleure amelioration des proprietes de mecaniques de l'alliage de base Al-2%Cu alors que les groupes Zr-Sc et Si occupent le troisieme et quatrieme niveau, respectivement. L'alliage contenant 0.02%Sr-0.7%Zr a fourni la plus grande limite a la rupture et des valeurs de resistance de 383 MPa et 326 MPa, respectivement, apres 4h de vieillissement a 180°C. La resistance de l'alliage augmente dans le groupe d'alliage Zr-Ti en raison de l'augmentation de la teneur en Zr de 0,15% a 0,7% apres un vieillissement de IOh a 180°C. Cette augmentation peut etre attribuee aux dispersoides A^Zr et Als(Zri xTix) agissant en tant que sites de nucleation heterogene pour les phases durcies par vieillissement, a l'action modifiante du Zr sur la phase AfeCuMg et a Faction du Zr-Ti a produire une structure de grains raffines non- dendritiques. Les additions combinees de Zr-Sr et Sr-Ti produisent les meilleurs niveaux d'allongement de tous les alliages etudies, comme en temoignent les alliages contenant 0.02%Sr-0.15%Ti et 0.02%Sr-0.7%Zr. Ces niveaux ameliores sont le resultat des effets de la modification du Sr sur les particules ot-Fe, ainsi que le role du Zr et du Ti a produire une structure non dendritique QJ-AI. L'alliage contenant 0.02%Sr-0.15%Ti a montre le plus haut niveau de resistance au ramollissement au cours du vieillissement a 220°C en raison des effets respectifs de la modification et du raffinage du Sr et du Ti sur la microstructure. La troisieme categorie d'alliage comprend six alliages selectionnes dans la seconde categorie afin d'etudier les effets de la composition chimique et des parametres du moule sur la susceptibilite a ia dechirure a chaud (HTS) du nouvel alliage Al-2%Cu. Les resultats HTS ont ete compares avec l'alliage 206. Generalement F alliage de base Al-2%Cu a donne une plus grade resistance a la dechirure a chaud que l'alliage 206. Une temperature du moule elevee est benefique dans la reduction de la susceptibilite a la dechirure a chaud des alliages Al-2%Cu et 206 par une baisse de la valeur HTS de 21 a 3 et 9, respectivement. La temperature du moule est passee de 250°C a 450°C. Le raffinement de la structure des grains obtenus avec les additions de Zr-Ti ou Ti a diminue la gravite de la dechirure a chaud suite a l'augmentation du nombre de film inter granulaire liquide par unite de volume et a retarde l'atteinte du point de coherence. L'augmentation de la teneur en silicium reduit considerablement la vulnerabilite a la dechirure a chaud de l'alliage Al-2%Cu; cette reduction est attnbuable a une augmentation de la fraction volumique de l'eut ectique, et une diminution du point de fusion de l'alliage. L'ajout du Sr a deteriore la resistance a la dechirure a chaud en raison de la formation d'oxydes de Sr et a l'extension de l'echelle de congelation de l'alliage. Il a ete signale que les particules os-Fe peuvent gener la propagation de la fissure lors de la dechirure a chaud.