Developing Sc and Zr containing Al-B?C metal matrix composites for high temperature applications

Dans cette etude, nous nous interessons principalement au developpement de la coulee, et au durcissement structrural des composites a matrice metallique AI-B4C pour des applications a haute temperature. Le scandium et le zirconium ont ete introduits dans le systeme AI-B4C, comme elements d'alliage, et leurs effets sur la microstrcture, la reponse au vieillissement, les proprietes mecaniques et la stabilite thermique ont ete etudies. Afin de realiser cette etude, un microscope optique, un microscope electronique a balayage et un microscope electronique a transmission ont ete utilises dans le but d'observer la microstructure de brut de coulee et celle obtenue apres vieillissement, d'analyser les reactions interfaciales, la distribution des elements d'alliage entre l'interface et la matrice ainsi que pour examiner l'evolution des precipites lors de la coulee et le vieillissement. La reponse au vieillissement et le durcissement structural de la matrice ont ete suivis par des mesures de durete 'Vickers'. Les proprietes mecaniques et la stabilite thermique a long terme des composites contenant Se et Zr ont ete evaluees en utilisant des essais de durete Vickers et Rockwell ainsi que des essais de compression. Dans le premier chapitre de cette etude, des plaques de B4C ont ete immergees dans l'aluminium liquide contenant Se, Zr et Ti afin d'etudier les reactions interfaciales entre le B4C et l'aluminium liquide. Les effets de Se, Zr et Ti a l'interface en terme d'apports individuels et combines ont ete examines. Les resultats montrent que les trois elements reagissent avec B4C et forment des couches interfaciales, qui agissent comme des barrieres de diffusion, dans le but de limiter la decomposition du B4C dans l'aluminium liquide. Ainsi, les reactions interfaciales et les produits de reaction dans chaque systeme ont ete identifies. En combinant le Se, Zr et Ti, une grande quantite de Ti est enrichie a l'interface, qui non seulement offre une protection appropriee au B4C mais aussi une reduction de la consomation de Se et Zr a l'interface. Dans le second chapitre, le scandium et le zirconium ont ete introduits dans le composite Al-15vol.% B4C, presature par Ti et huit composites a diferents teneurs en Se et Zr ont ete prepares par coulee conventionelle. Il a ete constate que le scandium favorise les reactions interfaciales avec B4C qui consomme partiellement le Se. L'ajout de Se procure un durcissement structural considerable dans les conditions de coulee conventionnelle et du pic de veiellissement. Afin d'obtenir un durcissement equivalent de Se dans les alliages binaires, environ le double de la quantite de Se est necessaire pour les composites AI-B4C. Par contre, aucun produit de reaction majeur de Zr n'a ete trouve aux interfaces. En effet, la majeure partie de Zr se concentre dans la matrice pour le durcissenent structurale. La combinaison de Se et Zr augmente de maniere significative le durcissement structural. Deux types de precipites nanometriques, AI3SC et Al3(Sc, Zr), ont ete observes dans la microstructure obtenue apres coulee, qui contribue a une angmentation significative de la durete de la matrice. Dans le troisieme chapitre, les composites a differents teneur en Se et Zr ont ete vieillis en condition isotherme a 300, 350, 400 et 450 °C apres homogeneisation/mise en solution. Les resultats demontrent que l'ajout de Se induit un durcissement par precipitation considerable a la matrice des composites, pour toutes les temperatures de vieillissement appliquees. L'effet du durcissement par precipitation augmente avec l'augmentation de la quantite de Se et diminue lorsque la temperature de vieillissement est surelevee. La combinaison des elements d'alliage Zr et Se dans les composites AI-B4C produit un effet synergique. L'addition de Zr fournit non seulement une augmentation de la resistance mecanique au pic de vieillissement mais aussi une amelioration de la stabilite thermique. Les composites ayant un rapport Zr:Sc eleve ( > 1) presentent une excellente stabilite thermique de la resistance mecanique jusqu'a 400 °C. Le survieilissement est retarde d'environ -100 °C par rapport aux composites sans Zr pour la meme teneur en Se. La fraction volumique de precipites, le rayon moyen et la distribution de la taille des precipites nanometriques AI3SC et Al3(Sc,Zr) ont ete mesures au cours du processus de vieillissement. Les precipites Al3(Sc,Zr) montrent generalement une resistance au grossissement bien meilleure que celle des precipites AI3SC. Il est egalement confirme que le contournement d'Orowan est le principale mecanisme qui controle le durcissement par precipitation des deux precipites. Dans le quatrieme chapitre, deux composites contenant chacun 0.4% Se et 0.4% plus 0.24 % Zr ont ete elabores pour examiner leurs proprietes mecaniques au cours d'une exposition de longue duree (2000h) a des temperatures elevees, allant de 250 a 350 °C. Anisi, pour une stabilite thermique prolongee, les proprietes mecaniques du composite contenant Se et Zr sont stables jusqu'a 300 °C, pendant que le composite contenant uniquement Se montre une bonne resistance a l'adoucissement jusqu'a 250 °C. Pour des temperatures elevees la resistance mecanique des deux composites diminus en fonction du recuit prolonge. La degradation des proprietes mecaniques des composites pendant une longue periode de recuit et a haute temperature est dominee par le grossissement des precipites. Enfin, deux composites contenant chacun 0.58 % Se et 0.58 % Se plus 0.24 % Zr, ont ete lamines a chaud jusqu'a une epaisseur de 2 mm avec une reduction totale de 93%. Les resultats montrent que les composites contenant Se et Zr possedent une bonne aptitude a la mise en forme par laminage a chaud. La reponse au vieillissement et au renforcement par precipitation au cours des traitement thermiques subits apres laminage ont ete examines et 1' impact des parametres sur le durcissement par vieillissement a ete defini.