Improving the performance of 354 type alloy

En plus de reduire le poids des vehicules et de diminuer la consommation de carburant et les emissions polluantes, les efforts de recherche en cours dans l'industrie automobile ont ete axees sur l'amelioration des performances a haute temperature des composants cles du moteur en particulier en ce qui concerne la preservation des proprietes mecaniques des alliages d'aluminium moules utilises dans ces composants a des temperatures de 200°C a 300°C. L'utilisation de nickel et de zirconium comme elements d'ajouts pour accroitre la resistance a haute temperature dans ces alliages est basee sur la formation des precipites de A^Ni et A^Zr reconnus pour leur stabilite a des temperatures elevees, ces particules sont en mesure de mieux supporter le survieillissement a des temperatures plus elevees que les precipites de A^Cu et Mg2Si normalement presents dans les alliages d'aluminium moules. L'objectif principal du present travail de recherche etait de determiner les effets des ajouts mineurs de nickel et de zirconium, ainsi que des dispersoides AI2O3 et SiC, sur la resistance a haute temperature des alliages de fonderie 354. Des experimentations basees sur l'analyse thermique ont ete menees pour acquerir une comprehension des principaux constituants de la microstructure des alliages, tels que les phases intermetalliques et les precipites, ainsi que leur evolution au cours du vieillissement a differentes temperatures et temps, a savoir 155°C, 170°C, 190°C, 240°C , 300°C et 350°C pendant des periodes allant de 2 a 100 heures. Les proprietes de traction des echantillons tels que coules et traites thermiquement ont ete determinees a temperature ambiante et a haute temperature (190°C, 250°C, 350°C) pour les alliages selectionnes/conditions basees sur les resultats obtenus des tests a temperature ambiante. Les echantillons ont ete produits dans une moule permanent metallique ASTM-B108. Les resultats des essais de traction ont ete examines en terme des caracteristiques microstructurales des alliages correspondants, afin d'analyser et de comprendre les principaux parametres impliques dans le renforcement de l'alliage 354 a des temperatures elevees. Les resultats montrent que, comme pour l'alliage 319 qui presente des reactions associees a de phases contenant du Cu, l'alliage 354 presente des reactions bien definies a des temperatures inferieures a 500°C lies aux phases contenant du Cu. Le zirconium reagit seulement avec Ti, Si et Al. Les phases intermetalliques riches en Zr observees dans cette etude se presentent sous deux formes differentes: la phase (Al, Si)2(Zr, Ti) contenant une forte teneur en silicium et ayant la forme d'un bloc, et la phase (Al, Si)3(Zr, Ti) contenant une forte teneur en d'aluminium et ayant la forme d'une aiguille. Il n'y a pas d'empoisonnement observable dans l'affinage de la taille des grains apres l'addition de Zr dans les alliages etudies comme cela a ete observe dans les microstructures des echantillons d'analyse thermique obtenues a haute vitesse de refroidissement, pour les alliages contenant du Zr et Ti. Les experiences d'analyse thermique realisees a la haute vitesse de refroidissement, a savoir 4°C sec-1, ont revele la presence d'une reaction dans la gamme de temperature de 667-671°C, qui semble etre liee a la precipitation de la phase riche en Zr, qui n'etait pas possible d'observer a faible vitesse de refroidissement de 0,35 °C sec-1. L'utilisation des graphiques d'indice de qualite est une methode jugee satisfaisante pour la presentation des resultats des essais de traction, et pour evaluer les effets des ajouts de Ni, Zr et des micro-particules (AI2O3, SiC) a l'alliage de base, ainsi qu'une evaluation des conditions de traitements thermiques appliques aux sept alliages de type 354 etudie en relation avec lesdites proprietes. A partir des graphiques d'indice de qualite construits pour ces alliages, l'indice de qualite atteint les valeurs minimales et maximales, 259 MPa et 459 MPa, pour les conditions tel que coule et mise en solution, ainsi que les limites d'elasticite maximales et minimales observees sont de 345 MPa et de 80 MPa, respectivement, dans toute la serie de vieillissement. L'ajout de faible pourcentage de micro-oxydes/carbures (0.5%) a l'alliage 354 n'a pas ameliore les proprietes de traction, mais favorise l'apparition de defauts tels que la segregation des micro-particules et la porosite, qui diminue les proprietes de traction. Une diminution des proprietes de traction de 10% par l'ajout de 0,4% de nickel est attribuee a la relation entre le nickel et le cuivre qui interfere avec la formation de precipites A^Cu. La phase aiguille (Al,Si)3(Zr,Ti) est l'element principal dans les microstructures des echantillons de traction des alliages avec des additions de Zr. La reduction des proprietes mecaniques causee par l'addition de differents elements est attribuee principalement a l'augmentation du pourcentage des intermetalliques formes lors de la solidification; ces particules agiraient comme des concentrateurs de contraintes diminuant la ductilite des alliages. Les resultats des essais de traction a temperature ambiante montrent une legere augmentation (10%) dans les alliages avec Zr et Zr/Ni, en particulier a des temperatures de vieillissement superieures a 240°C. Le principal effet de l'addition de Zr est une reduction drastique de la taille des grains, de -40%, a comparer a l'alliage de base, plutot que d'accroitre les proprietes mecaniques a temperature ambiante. L'ajout de Zr et Zr/Ni augmente les proprietes de traction a temperature elevee, en particulier pour les alliages avec 0,2% Zr et 0,2% Ni, lesquels augmentent de plus de 30% les proprietes en traction a 300°C par rapport a l'alliage de base. En resume, les meilleures proprietes de traction a haute temperature apparaissent pour l'alliage contenant 0,2% Zr +% 0.2% Ni a la condition telle que coulee.