Finissant au doctorat en ingénierie, Esmaeil Pourkhorshid a effectué sa soutenance de thèse le 16 avril dernier. Sous la direction de X. Grant Chen (UQAC) et la codirection de recherche de Paul Rometsch (Rio Tinto), sa thèse a pour titre « Aluminium alloys for additive manufacturing towards higher strength alloys ».
Sous la présidence de Mousa Javidani (UQAC), le jury d’évaluation était composé de Dilip Sarkar (UQAC) et de Ehab Elsharkawi (Saint Mary’s University).
Résumé de la thèse
La demande croissante de matériaux légers dans les industries de haute technologie a accéléré l’adoption des alliages d’aluminium dans les procédés de Fusion Sélective par Laser (SLM), en particulier pour les applications nécessitant des géométries complexes. Les alliages couramment utilisés, tels que l’AlSi10Mg et l’AlSi12, offrent une bonne aptitude au procédé, mais présentent des limites pour atteindre des propriétés mécaniques élevées après SLM et traitements thermiques. En revanche, les alliages d’aluminium à haute résistance présentent une faible aptitude au procédé SLM, ce qui constitue un obstacle à leur utilisation à grande échelle dans l’industrie. Cette étude explore la production d’alliages d’aluminium par le procédé SLM, dans le but de dépasser les propriétés mécaniques des alliages conventionnels AlSi10Mg. La recherche est divisée en trois parties principales, se concentrant sur la conception des matériaux, l’optimisation des paramètres du SLM, la caractérisation microstructurale et l’évolution des propriétés mécaniques.
Dans la première partie, les effets de divers traitements thermiques sur les propriétés mécaniques et l’évolution microstructurale d’un alliage AlSi10MgMn contenant 0,5 % en poids de Mn, produit par SLM, ont été étudiés. La microstructure a été analysée par microscopie optique, microscopie électronique à balayage (SEM), diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) et microscopie électronique en transmission (TEM). À l’état brut de fabrication (F), l’alliage présentait une résistance ultime à la traction (UTS) de 486 MPa, une limite d’élasticité (YS) de 299 MPa et un allongement de 10,3 %. Après un traitement T5, l’UTS et le YS ont augmenté à 532 MPa et 386 MPa, respectivement, soit une amélioration remarquable de 30 % du YS par rapport à l’état F. Ces propriétés dépassaient largement celles des alliages AlSi10Mg conventionnels dans les conditions F, T5 et T6. Le traitement T5 a favorisé la précipitation de nanoparticules riches en Si et de précipités à base de MgSi sans perturber le réseau riche en Si. Après un traitement T6, ce réseau a complètement disparu, et la phase de renforcement principale était constituée de précipités à base de MgSi et de dispersoïdes α-Al(Mn,Fe)Si induits par l’ajout de Mn. À l’aide de modèles constitutifs basés sur la microstructure, les contributions des différents composants microstructuraux à la résistance mécanique ont été analysées.
Dans la deuxième partie, l’effet de la modification par le Mn sur les alliages AlSi10Mg produits par SLM a été évalué. Les microstructures dans différentes conditions de traitement thermique ont été analysées par SEM, EBSD, TEM et tomographie par sonde atomique (APT). L’ajout de 0,5 % en poids de Mn a permis d’augmenter la limite d’élasticité (YS) de 17 %, 30 % et 29 % dans les conditions F, T5 et T6, respectivement, par rapport à l’alliage AlSi10Mg standard. Ces améliorations ont été principalement attribuées à une densité accrue de nanoparticules dans les états F et T5, ainsi qu’à l’introduction de la phase α-Al(Mn,Fe)Si, qui modifie la composition chimique du réseau eutectique riche en Si, améliorant ainsi les propriétés mécaniques globales. IV
Dans la troisième partie, l’impact des additions de raffineurs de grains TiB sur l’évolution microstructurale, la susceptibilité à la fissuration à chaud et les propriétés mécaniques des alliages Al-Cu 224 a été examiné afin d’améliorer leurs performances en SLM. Une méthode de refusion laser de surface (LSR) a simulé la solidification rapide par laser. Les résultats ont révélé que l’addition de particules TiB2 a éliminé les fissures de solidification, réduisant les tailles de grains de 13-15 μm à 5,5 μm et 3,2 μm avec 0,34 % et 0,65 % en poids de Ti, respectivement. La dureté des alliages modifiés a atteint 117 et 130 HV après un traitement T6, surpassant celle des alliages AlSi10Mg de 15 à 30 %. Cette amélioration est attribuée à la formation de grains fins et de précipités nanométriques θˊ/θ ̋. Cette recherche met en évidence le potentiel des modifications par Mn et TiB pour optimiser les propriétés mécaniques et la processabilité des alliages d’aluminium dans les applications SLM, offrant des solutions prometteuses aux défis associés aux alliages à haute résistance.
Félicitations à Esmaeil Pourkhorshid pour la soutenance de sa thèse de doctorat!