Finissant au doctorat en ingénierie, Eric Kojo Kweitsu a effectué sa soutenance de thèse le 8 octobre 2026. Sous la direction de recherche de Dilip Sarkar (UQAC) et la codirection de X. Grant Chen (UQAC), sa thèse a pour titre «Development and characterization of superplastic Al-Mg-Mn 5XXX alloys for automobile application».
Sous la présidence de Yasar Kocaefe (UQAC), le jury d’évaluation était composé de Lei Ray Pan (Rio Tinto) et de Mousa Javidani (UQAC).
Résumé de la thèse
La demande croissante pour des systèmes de transport légers et écoénergétiques a intensifié le développement d’alliages Al–Mg–Mn de la série 5xxx à faible coût. En particulier, des alliages capables de soutenir une déformation à haute température sur une large gamme de vitesses de déformation sont nécessaires pour le formage par soufflage à grande vitesse (High-Speed Blow Forming, HSBF). Le HSBF constitue une alternative prometteuse au formage superplastique conventionnel (Superplastic Forming, SPF), en combinant une première étape de déformation à vitesse de déformation élevée avec une étape subséquente de formage au gaz à faible vitesse de déformation. Cette approche permet de réduire considérablement le temps de formage tout en rendant possible la fabrication de composants automobiles complexes. Cependant, la réussite du procédé HSBF nécessite des alliages capables de développer des structures de grains stables pendant un recuit de courte durée et de soutenir la déformation sur une large gamme de vitesses de déformation sans localisation prématurée de la déformation ni cavitation. Les études existantes se sont principalement concentrées sur les recuits de longue durée et la déformation à faible vitesse de déformation, laissant insuffisamment compris les effets du recuit rapide, de la déformation à haute vitesse de déformation et de l’évolution de la cavitation dans des conditions pertinentes pour le HSBF.
Ainsi, cette thèse développe un cadre mécanistique décrivant les relations procédé–microstructure–déformation dans les alliages Al–Mg–Mn 5xxx sous conditions HSBF, puis applique cette compréhension à la conception d’alliages microalliés au Sc, au Zr et à l’Er, à faible coût, adaptés aux applications HSBF.
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Dans un premier temps, ce travail examine le recuit de courte durée comme voie rapide pour produire des structures de grains fines et stables. Deux alliages Al–Mg–Mn 5xxx, l’alliage 1 (Al–4,5Mg–0,74Mn) et l’alliage 2 (Al–4,0Mg–1,18Mn), subissent une recristallisation statique rapide après seulement 2 min de recuit à 520 °C. Après 4 min, l’alliage 2 présente une fraction plus élevée de grains inférieurs à 10 μm ainsi qu’une meilleure résistance à la croissance des grains. Cette stabilité améliorée est attribuée à sa plus grande densité numérique de dispersoïdes riches en Mn. Ces résultats démontrent que le recuit de courte durée peut générer des microstructures capables de soutenir une déformation superplastique et fournissent une meilleure compréhension de l’évolution de la structure des grains dans les conditions thermiques rapides pertinentes pour le HSBF.
S’appuyant sur ces résultats, la deuxième étude examine le comportement en déformation et l’évolution microstructurale de l’alliage 2 dans des conditions pertinentes pour le HSBF. L’alliage a été testé entre 450 et 520 °C à des vitesses de déformation comprises entre 0,001 et 1 s⁻¹ après un recuit de courte durée, lequel a produit une structure de grains fine, entièrement recristallisée, de 4,5 à 5,6 μm. L’allongement et la contrainte d’écoulement montrent une forte dépendance à la température et à la vitesse de déformation, avec une ductilité maximale atteinte à 500 °C. À faibles vitesses de déformation, la déformation est dominée par le glissement aux joints de grains. La réduction de la ductilité à 450 °C est associée au fluage contrôlé par traînage de soluté, tandis que la diminution de la formabilité à 520 °C est liée à une croissance des grains contrôlée par diffusion. À 1 s⁻¹, un raffinement significatif des grains se produit par recristallisation dynamique continue. Les dispersoïdes contenant du Mn améliorent la stabilité microstructurale en limitant la migration des joints de grains. Ces résultats clarifient les mécanismes de déformation dominants dans des conditions pertinentes pour le HSBF et fournissent des orientations pour la conception microstructurale des alliages Al–Mg–Mn 5xxx.
La troisième étude examine l’évolution de la cavitation dans les alliages 1 et 2 afin de clarifier l’influence de la vitesse de déformation, des particules intermétalliques, de la structure des grains et des mécanismes de déformation sur le développement de l’endommagement et les limites de formabilité dans des conditions HSBF. Les alliages ont été testés à 500 °C à des vitesses de déformation allant de 0,001 à 1 s⁻¹. Le comportement de cavitation montre une transition nette avec l’augmentation de la vitesse de déformation. À 0,001 s⁻¹, le glissement aux joints de grains favorise une croissance et une coalescence importantes des cavités. À 0,01 s⁻¹, l’interaction entre le glissement aux joints de grains et l’activité dislocationnelle intragranulaire limite la croissance des cavités. À 1 s⁻¹, la croissance des cavités contrôlée par diffusion est fortement supprimée, et la rupture se produit principalement par coalescence de fins microvides. Bien que l’alliage riche en Mn, l’alliage 2, présente une nucléation plus importante des cavités en raison de sa plus grande population de particules intermétalliques, il conserve une ductilité supérieure à toutes les vitesses de déformation. Ce comportement est attribué à sa structure de grains thermiquement stable, qui limite la croissance des cavités et retarde leur coalescence. Ces résultats établissent un cadre de cavitation dépendant de la vitesse de déformation, reliant les mécanismes de déformation, la stabilité microstructurale et l’évolution de l’endommagement dans des conditions pertinentes pour le HSBF. Ils soulignent également que la stabilité de la structure des grains constitue une exigence essentielle pour le développement d’alliages Al–Mg–Mn 5xxx adaptés au HSBF.
La phase finale de la thèse porte sur le développement d’alliages Al–Mg–Mn issus de rebuts, à faible coût et économes en ressources, pour les applications HSBF, en s’appuyant sur la compréhension de la recristallisation, de la cavitation et du comportement en déformation établie à partir des alliages commerciaux étudiés dans les phases précédentes. Trois alliages Al–Mg–Mn 5xxx issus de rebuts ont été développés : un alliage de base sans Sc, Zr ni Er ; un alliage microallié au Sc–Zr, BSc10 ; et un alliage microallié à l’Er–Sc–Zr, BErSc05. Le recuit de courte durée à 500 °C produit une structure entièrement recristallisée dans l’alliage de base, tandis que BSc10 et BErSc05 conservent des microstructures majoritairement non recristallisées en raison de la présence de précipités cohérents Al3(Sc,Zr) et Al3(Sc,Er,Zr). À 0,01 s⁻¹, BErSc05 présente l’allongement le plus élevé, soit environ 256 %, en raison de sa fraction plus élevée de grains fins recristallisés, tandis que BSc10 montre une ductilité plus faible en raison de son état majoritairement non recristallisé. À 0,1 s⁻¹, BSc10 atteint une ductilité maximale d’environ 259 %, tandis que BErSc05 maintient une ductilité stable d’environ 254 %, indiquant une formabilité améliorée aux vitesses de déformation élevées. L’analyse EBSD montre que cette ductilité améliorée est associée à une augmentation de la fraction de joints de grains à grand angle et à un raffinement dynamique des grains. À 1 s⁻¹, la déformation contrôlée par les dislocations réduit la ductilité de tous les alliages ; toutefois, les alliages contenant du Sc conservent un allongement appréciable grâce à leur meilleure résistance à la localisation de l’écoulement. Dans BErSc05, les zones dépourvues de dispersoïdes liés au Mn favorisent la partition de la déformation, limitant ainsi une amélioration supplémentaire de la ductilité. Sous déformation en deux étapes pertinente pour le HSBF, de 1 s⁻¹ à 0,01 s⁻¹, l’alliage BErSc05, à faible teneur en Sc et contenant de l’Er, atteint un allongement d’environ 286 %, démontrant une formabilité améliorée et une tolérance supérieure aux transitions de vitesse de déformation. Ces résultats montrent qu’un microalliage ciblé des alliages Al–Mg–Mn issus de rebuts peut équilibrer le contrôle de la recristallisation, la stabilité en déformation, le coût de l’alliage et l’efficacité des ressources, fournissant ainsi des orientations pour la conception d’alliages d’aluminium en tôle durables destinés aux applications HSBF.
Dans l’ensemble, cette thèse établit un cadre intégré procédé–microstructure–déformation–endommagement pour les alliages Al–Mg–Mn 5xxx dans des conditions pertinentes pour le HSBF. Les résultats démontrent que le recuit de courte durée, les structures de grains stabilisées par les dispersoïdes de Mn, les mécanismes de déformation dépendants de la vitesse de déformation, la résistance à la cavitation et le microalliage Sc–Zr–Er à faible coût sont des facteurs essentiels pour obtenir un formage stable à grande vitesse. Ce travail fournit à la fois une compréhension fondamentale et des orientations pratiques pour la conception d’alliages Al–Mg–Mn 5xxx durables et à faible coût, soutenant ainsi le développement industriellement viable du HSBF pour la fabrication de composants automobiles légers et complexes.
Félicitations à Eric Kojo Kweitsu pour la soutenance de sa thèse de doctorat!
