Finissant au doctorat en ingénierie, Quan Shao a effectué sa soutenance de thèse le 3 septembre 2025. Sous la direction de recherche de X. Grant Chen (UQAC) et la codirection de Emad Elgallad (Université de Moncton), sa thèse a pour titre « New generation of high performance aluminum electrical conductors for elevated temperature applications ».
Présidé par Mousa Javidani (UQAC), le jury d’évaluation était composé de Dilip Sarkar (UQAC) et de Daniel Larouche (Université Laval).
Résumé de la thèse
La demande croissante en électricité et l’expansion des activités industrielles nécessitent le développement de nouveaux alliages conducteurs d’aluminium dotés de propriétés mécaniques et thermiques supérieures. Au Canada, plus de 166 000 kilomètres de lignes de transmission aériennes, dont une grande partie traverse des zones forestières, présentent une vulnérabilité importante en raison de la faible résistance mécanique et thermique des alliages conventionnels d’aluminium, augmentant les risques de pannes de courant et d’incendies de forêt. Bien que les alliages Al-Mg-Si de la série 6xxx soient couramment utilisés pour les conducteurs en aluminium, leur faible résistance thermique (inférieure à 100 °C) limite leur performance à haute température. En revanche, les alliages Al-Zr-Sc offrent une meilleure résistance mécanique et une grande stabilité thermique grâce à la formation de nanoparticules cohérentes Al₃(Sc,Zr) de structure L1₂, permettant une utilisation à des températures bien plus élevées (180 à 310 °C). Cette étude vise à développer une nouvelle génération d’alliages conducteurs en aluminium thermiquement stables, combinant une conductivité électrique élevée avec d’excellentes performances mécaniques et thermiques. Elle est structurée en trois parties comme suit.
Dans la première partie, des alliages conducteurs à base d’Al-Zr résistants à la chaleur ont été développés par microalliage avec une faible teneur en Sc (≤ 0,10 % en poids) et deux voies de traitement thermomécanique, dans lesquelles le tréfilage à froid a été réalisé avant ou après le traitement de vieillissement. Les propriétés mécaniques, la conductivité électrique et la résistance thermique de plusieurs alliages ont été évaluées selon la norme CEI relative aux conducteurs en aluminium résistants à la chaleur. L’évolution des précipités et de la structure des grains au cours du traitement a également été étudiée. L’ajout de Sc a conduit à la précipitation d’un grand nombre de particules fines Al₃(Sc,Zr), procurant une résistance élevée de 188 à 209 MPa, soit une amélioration de 73 à 88 % par rapport à l’alliage de base sans Sc, tout en maintenant une excellente conductivité électrique de 57,4 à 59,9 % IACS. De plus, les alliages contenant du Sc ont présenté une excellente résistance thermique, la perte maximale de résistance étant limitée à ≤ 6,0 % après exposition thermique à 310 et 400 °C. Les meilleures combinaisons de propriétés mécaniques et de conductivité ont été obtenues après un vieillissement à 350 °C pendant 48 h, précédé d’un traitement de solution à 600 °C pendant 8 h. Les deux voies de traitement ont montré des renforcements comparables par précipitation et écrouissage, conduisant à des propriétés mécaniques et électriques similaires, avec des écarts maximaux de 12 MPa en résistance et de 1,4 % IACS en conductivité. L’excellent compromis entre propriétés mécaniques, électriques et thermiques fait de ces alliages de nouveaux candidats prometteurs pour la fabrication de conducteurs en aluminium thermorésistants conformes à plusieurs grades normalisés, tout en conservant un coût abordable et des procédés industriels classiques. IV
Dans la deuxième partie, quatre alliages conducteurs Al-Zr-Sc contenant entre 0,1 et 0,18 % Zr et entre 0,1 et 0,15 % Sc ont été élaborés par coulage, laminage à chaud, traitements thermiques et tréfilage à froid. Les propriétés mécaniques et la conductivité des fils ont été mesurées, et la microstructure a été caractérisée par microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique en transmission (MET) et diffraction d’électrons rétrodiffusés (EBSD). La stabilité thermique de ces alliages a été évaluée systématiquement après exposition à 310, 350 et 400 °C pendant jusqu’à 1000 h. Les résistances à la traction ultime (UTS) atteintes étaient comprises entre 206 et 214 MPa, et la conductivité électrique entre 57 et 57,5 % IACS. Tous les alliages ont été renforcés par une grande quantité de nanoprécipités Al₃(Sc,Zr). Une légère augmentation de l’UTS a été observée avec l’augmentation de la teneur en Zr ou en Sc, indiquant un impact limité de leur teneur sur les propriétés mécaniques et électriques. Aucun changement notable de la résistance mécanique ni de la structure des grains déformés n’a été observé après exposition à 310 °C jusqu’à 1000 h. À 350 °C pendant 200 h, les alliages ont conservé une excellente stabilité thermique. En revanche, des expositions prolongées à 350 et 400 °C ont entraîné une dégradation progressive des propriétés mécaniques. Les alliages Al-0,18Zr-0,1Sc et Al-0,18Zr-0,15Sc ont montré une meilleure stabilité thermique à long terme à 350 et 400 °C. Cette étude fournit des données précieuses pour l’utilisation industrielle de fils conducteurs en aluminium dans des conditions extrêmes.
Dans la troisième partie, de faibles ajouts d’étain (Sn, 0,05 et 0,15 % en poids) et de strontium (Sr, 0,006 et 0,013 % en poids) ont été introduits dans des alliages Al–Zr–Sc afin d’en étudier l’effet sur la microstructure et les propriétés mécaniques. Des paramètres de vieillissement en deux étapes ont été optimisés séparément pour les alliages contenant Sn et Sr, en fonction de l’évolution de la microdureté et de la conductivité électrique sous différentes conditions de traitement. Dans l’alliage Sn15, le vieillissement en deux étapes a permis d’atteindre une microdureté et une conductivité de 78,3 HV et 58,3 % IACS, contre 74,2 HV et 57,5 % IACS avec un vieillissement traditionnel. De même, l’alliage Sr13 a atteint 83,2 HV et 58,0 % IACS après vieillissement en deux étapes, contre 78,3 HV et 57,5 % IACS avec le vieillissement traditionnel. La résistance à la traction ultime est passée de 205,9 MPa à 215,9 MPa pour l’alliage Sn15, et de 214,9 MPa à 226,5 MPa pour l’alliage Sr13. Ces améliorations – 0,8 % IACS, 5,5 HV et 10,7 MPa pour Sn15 ; 0,7 % IACS, 5,2 HV et 10,9 MPa pour Sr13 – sont principalement attribuées à une densité plus élevée de précipités Al₃(Sc,Zr) de très petite taille. Des précipités à un stade précoce ont été observés dans l’alliage Sn15 après vieillissement à 300 °C pendant 4 h. Dans les alliages contenant du Sr, le renforcement est également lié à une résistance accrue au mouvement des dislocations due à la présence de défauts d’empilement. L’ajout de traces de Sn ou de Sr, combiné à un vieillissement en deux étapes, constitue une stratégie rentable pour développer une nouvelle génération d’alliages conducteurs en aluminium, stables à haute température et à haute performance.
Félicitations à Quan Shao pour la soutenance de sa thèse de doctorat
