Finissante au doctorant en ingénierie, Alyaa Bakr a effectué sa soutenance de thèse le 20 août 2026. Sous la direction de recherche de X. Grant Chen (UQAC) et la codirection de Paul Rometsch (Rio Tinto), sa thèse a pour titre «Effect of Scandium on the 1xxx and the 3xxx Heat Exchanger Alloys».
Sous la présidence de Mousa Javidani (UQAC), le jury d’évaluation était composé de Dilip Sarkar et de Emad Elgallad (Université de Moncton).
Résumé de la thèse
Les composants légers en aluminium utilisés dans les échangeurs de chaleur jouent un rôle essentiel dans l’amélioration de l’efficacité énergétique des véhicules et la réduction des émissions de CO₂. Les alliages d’aluminium des séries 1xxx et 3xxx sont largement utilisés dans ces composants en raison de leur excellente formabilité, de leur bonne résistance à la corrosion et de leurs propriétés thermiques favorables. Les échangeurs de chaleur sont fabriqués en formant des feuilles et des tubes d’aluminium selon les géométries souhaitées, puis en assemblant les différentes pièces par brasage. Lors du processus de brassage, les composants de l’échangeur de chaleur sont exposés à une courte période de température élevée qui met à l’épreuve leur stabilité granulaire intrinsèque. Cette exposition thermique peut favoriser la recristallisation et la croissance anormale des grains, ce qui dégrade considérablement la résistance mécanique des composants brasés. Les précipités contenant du scandium sont particulièrement efficaces pour contrôler la restauration, la recristallisation et la croissance des grains dans les alliages d’aluminium, améliorant ainsi leur stabilité granulaire lors d’une exposition à haute température. Cette étude vise à explorer l’effet du micro-alliage avec le Sc, ou avec le couple Sc–Zr, sur l’évolution de la microstructure et des propriétés des alliages AA1xxx et AA3xxx utilisés dans les échangeurs de chaleur brasés. Elle est présentée en quatre parties, comme indiqué ci-dessous.
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Dans la première partie, une étude portant sur l’impact du micro-alliage au Sc et au Zr sur la stabilité microstructurale d’alliages 1xxx déformés à chaud et soumis à un revenu post-déformation entre 500 et 575 ºC pendant 1 h, afin de simuler des procédés de type brasage, est présentée. Quatre alliages ont été examinés: l’alliage 1xxx de base, Al-0,07Sc, Al-0,07Sc-0,10Zr et Al-0,19Sc-0,15Zr. Le traitement à 500 ºC a conduit à une recristallisation complète de l’alliage de base, tandis que les températures plus élevées ont favorisé une croissance anormale des grains. L’alliage Al-0,07Sc a résisté à la recristallisation à 500 ºC, mais a été entièrement recristallisé à 550 ºC. En revanche, l’alliage Al-0,07Sc-0,10Zr a conservé une bonne stabilité granulaire jusqu’à 550 ºC grâce à la présence de précipités stables Al3(Sc,Zr) ; toutefois, une recristallisation partielle a été observée à 575 ºC. L’alliage Al-0,19Sc-0,15Zr a préservé l’essentiel de sa microstructure déformée même après un traitement à 575 ºC. Il a montré la plus grande résistance à la recristallisation parmi les quatre alliages étudiés en raison de sa densité de précipités Al3(Sc,Zr) la plus élevée et de leur taille la plus fine, ce qui suggère que cet alliage pourrait être utilisé dans des conditions encore plus sévères, incluant des températures de brasage supérieures à 575 ºC.
Dans la deuxième partie, une étude portant sur des bandes minces extrudées en alliage 1xxx a été menée, dans laquelle les effets du micro-alliage Sc/Zr sur la structure granulaire, les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion ont été systématiquement examinés selon deux voies de procédé distinctes. Trois alliages ont été étudiés : un alliage 1xxx de base exempte de Sc et de Zr, un alliage Al-Sc-Zr faiblement micro allié (0,10 % mas. Sc, 0,10 % mas. Zr) et un alliage Al-Sc-Zr fortement micro allié (0,19 % mas. Sc, 0,15 % mas. Zr). L’alliage de base a présenté une microstructure entièrement recristallisée avec des grains très grossiers après brasage à 605 ºC pour les deux routes, ce qui s’est traduit par de faibles résistances mécaniques. Avec le micro-alliage Sc et Zr, la structure granulaire est devenue plus fine et plus stable, et les propriétés mécaniques se sont nettement améliorées. Parmi les trois alliages étudiés, le fort micro-alliage Al-Sc-Zr a été le seul à conserver la majeure partie de sa microstructure déformée après le brasage simulé à 605 ºC. Ces résultats ont été confirmés en extrudant des micro-tubes multi-canaux puis en les soumettant à un brasage simulé. Pour les deux routes, un traitement de vieillissement post-brasage a favorisé la précipitation fine d’Al3(Sc,Zr) et a considérablement renforcé les alliages contenant du Sc. Globalement, tandis que l’alliage fortement micro allié Al-Sc-Zr a offert la meilleure combinaison de stabilité granulaire, de résistance mécanique, de résistance à la corrosion et d’extrudabilité pour la Route 1 (augmentation de la température d’homogénéisation), l’alliage faiblement micro allié Al-Sc-Zr a tout de même montré des améliorations notables par rapport à l’alliage de base.
Dans la troisième partie, l’étude a débuté par des expériences à l’échelle du laboratoire sur trois alliages de la série 3xxx, avec et sans micro-ajouts de Sc et de Zr. Cette étape visait à établir une compréhension fondamentale du comportement des alliages sous des conditions de déformation à chaud et de brasage représentatives du procédé industriel des échangeurs de chaleur brasés. Après un écrouissage de 2 % suivi du brasage, l’alliage de base a présenté une faible stabilité des grains avec des signes évidents de croissance anormale des grains (AGG), tandis que les alliages contenant du Sc/Zr ont conservé des microstructures stables avec une recristallisation limitée ou inexistante. Par la suite, des essais d’extrusion de bandes plates ont été réalisés afin d’évaluer l’extrudabilité et les performances mécaniques. La pression d’extrusion a augmenté d’environ 13 à 18 % avec les ajouts de Sc/Zr, indiquant une résistance accrue à la déformation et une extrudabilité réduite. La limite d’élasticité a augmenté de 42 MPa pour l’alliage de base à 70-89 MPa après brasage, puis à 109-127 MPa après vieillissement post-brasage, en raison de la précipitation de fines nanoparticules d’Al3(Sc,Zr), correspondant à des augmentations allant jusqu’à 191 %. Enfin, l’étude a été étendue à la fabrication d’extrusions multi-canaux (MPE), représentatives de la géométrie des tubes plats utilisés dans les échangeurs de chaleur. Les tubes MPE de l’alliage de base ont présenté des grains grossiers et une AGG localisée après le calibrage et le brasage, indiquant une perte de stabilité microstructurale, tandis que les alliages contenant du Sc/Zr ont conservé une microstructure stable lors du brasage.
Dans la quatrième partie, une étude a été menée afin d’explorer le potentiel des ajouts de Sc et de Zr dans un alliage 3xxx typique utilisé pour les tubes MPE des échangeurs de chaleur brasés. Trois alliages ont été étudiés dans ce travail : le premier est un alliage d’aluminium 3xxx typique utilisé dans les échangeurs de chaleur brasés, le second est un alliage (L-ScZr) contenant 0,11 % massique de Sc et 0,10 % massique de Zr, et le troisième est une variante modifiée Sc–Zr (H-ScZr) contenant 0,21 % massique de Sc et 0,15 % massique de Zr. Les trois alliages ont été homogénéisés à 375 ºC pendant 24 heures puis extrudés en tubes multi-canaux (MPE). L’application d’une légère réduction d’épaisseur de seulement 2 %, suivie d’un brasage à 605 ºC pendant 2,5 minutes, a entraîné un grossissement marqué des grains dans l’alliage de base, tandis que les alliages contenant Sc–Zr ont montré une meilleure stabilité des grains, l’alliage H-ScZr présentant la stabilité des grains la plus élevée. L’application d’un traitement de vieillissement post-brasage à 350 ºC pendant 4 heures a entraîné un renforcement significatif des alliages contenant Sc–Zr, avec une augmentation de la limite d’élasticité pouvant atteindre environ 105 % par rapport à l’alliage de base.
Félicitations à Alyaa Bakr pour la soutenance de sa thèse de doctorat!
