Finissant au doctorat en ingénierie, Behrouz Abnar a effectué sa soutenance de thèse le 27 août 2026. Sous la direction de recherche de Mousa Javidani (UQAC) et la codirection de Paul Rometsch (Rio Tinto), sa thèse a pour titre «Alloying and thermomechanical processing strategies for high-performance aluminum conductors».
Sous la présidence de Lukas Dion (UQAC), le jury d’évaluation était composé de X. Grant Chen et de Hatem Zurob (Université McMaster).
Résumé de la thèse
La demande croissante de conducteurs en aluminium à haute performance pour les systèmes de distribution d’énergie exige des matériaux présentant simultanément une résistance mécanique élevée et une excellente conductivité électrique. Ce défi est particulièrement critique pour les applications de barres omnibus extrudées à chaud, où le renforcement par écrouissage après déformation n’est pas envisageable. Le présent projet répond à cette limitation par une étude approfondie des stratégies de conception d’alliages et des procédés thermomécaniques pour des alliages conducteurs d’aluminium des séries 6xxx et 1xxx, avec des ajouts de Cu, Sc et Zr pour des applications de barres omnibus. Un aspect clé de ce travail est l’adoption du vieillissement direct après extrusion à chaud (T5) de barres en forme de bandes, au lieu du traitement conventionnel T6 (mise en solution suivie de vieillissement). Le vieillissement direct offre des avantages importants, notamment une réduction du temps de traitement et de la consommation d’énergie, ainsi que la préservation des microstructures induites par la déformation, favorables au renforcement.
Toutefois, en l’absence de mise en solution, les paramètres thermomécaniques, en particulier la température de préchauffage avant déformation, jouent un rôle déterminant dans la distribution des atomes de soluté sursaturés et, par conséquent, dans le comportement de précipitation lors du vieillissement. Ainsi, une conception rigoureuse du chemin de déformation, combinée à une optimisation du traitement de vieillissement, est essentielle pour obtenir un compromis efficace entre résistance et conductivité électrique.
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La première phase du projet examine l’effet des ajouts de Cu (0,15–0,4 % massique) sur le comportement en déformation à chaud d’un alliage conducteur Al-Mg-Si, en mettant l’accent sur l’influence des paramètres de procédé sur la conductivité électrique et les propriétés mécaniques. Des essais de compression à chaud ont été réalisés à 450 °C et 550 °C, avec des vitesses de déformation comprises entre 0,1 et 10 s⁻¹. Les résultats montrent qu’à 450 °C, l’ajout de ≤0,3 % Cu augmente légèrement la contrainte d’écoulement (jusqu’à 8,2 %), tandis que 0,4 % Cu entraîne une augmentation significative (15–25,2 %). À 550 °C, l’effet du Cu diminue fortement (<3,5 %), notamment à faible vitesse de déformation. L’énergie d’activation augmente de 143,9 à 173,3 kJ/mol avec 0,15–0,4 % Cu, indiquant une résistance accrue à la déformation. Le Cu ralentit la restauration dynamique et réduit la taille des sous-grains ainsi que la désorientation moyenne des joints de grains. Globalement, les alliages déformés à 450 °C présentent une dureté inférieure de 8 à 20 %, mais une conductivité électrique plus élevée (1,0–2,5 % IACS) que ceux déformés à 550 °C après 8 h et 24 h de vieillissement, bien que cet écart diminue à 24 h. Ce comportement est attribué à la formation de précipités β-Mg₂Si grossiers à 450 °C, qui améliorent la conductivité mais réduisent la dureté. L’allongement du vieillissement de 8 h à 24 h augmente légèrement la conductivité (1–2,7 % IACS) avec une diminution minimale de la dureté (<4 HV). L’alliage contenant 0,3 % Cu présente le meilleur compromis, atteignant jusqu’à 75 HV (20–30 % de plus que l’alliage de base), avec une faible variation de la résistance à la déformation et une conductivité de 52,4–54,1 % IACS conforme aux normes.
La deuxième phase du projet étudie l’effet du préchauffage avant extrusion (420 °C contre 480 °C) et des stratégies de vieillissement direct (en une et deux étapes) sur la précipitation, la microstructure et les propriétés des alliages Al–0,1Sc–0,1Zr (% massique). Les résultats montrent qu’un préchauffage plus faible (420 °C) limite le grossissement précoce et favorise une forte densité de particules fines cohérentes Al3Sc/Al3(Sc,Zr) de structure L1₂ après vieillissement, améliorant ainsi la résistance. Le vieillissement en deux étapes (300 °C/24 h + 400 °C/8 h) appliqué à l’alliage extrudé à 420 °C produit la distribution de précipités la plus fine (4,41×10²¹ m⁻³), grâce à la formation d’un coeur riche en Sc suivie d’une diffusion contrôlée du Zr, conduisant à une structure coeur–coquille très stable. Cet état optimisé favorise le renforcement par contournement d’Orowan et limite la croissance des sous-grains via une augmentation de la pression de traînée de Zener. Ainsi, la combinaison d’un faible préchauffage (420 °C) et d’un vieillissement en deux étapes permet d’atteindre le meilleur compromis, avec une résistance ultime de 172 MPa et une conductivité de 57,5 % IACS. À l’inverse, les alliages extrudés à 480 °C présentent un grossissement important des précipités, réduisant la résistance et la stabilité thermique.
La troisième phase analyse l’effet de la température de déformation à chaud sur l’évolution microstructurale de l’alliage Al–0,1 % Sc et son impact sur l’efficacité du vieillissement isotherme. Des essais de compression ont été réalisés entre 350 et 550 °C à une vitesse de déformation de 1 s⁻¹ et une déformation vraie de 0,8, suivis d’un vieillissement à 300 °C pendant 24 h. Les résultats montrent qu’une déformation à 450 °C entraîne l’augmentation la plus élevée de la contrainte d’écoulement (39,7 %), tandis qu’à 550 °C, la contrainte est minimale et comparable à celle de l’aluminium pur. Après vieillissement, les conditions de déformation à 350 °C et 550 °C offrent le meilleur compromis entre conductivité (58,5–59 % IACS) et dureté (70–71 HV). En revanche, à 450 °C, la dureté est minimale (51 HV), soit une réduction d’environ 28 %. Les analyses MET révèlent que cette faible dureté est due à la formation de précipités Al₃Sc grossiers et hétérogènes lors du préchauffage, contrairement aux températures de 350 °C et 550 °C qui favorisent la formation uniforme de nanoparticules L12 lors du vieillissement.
Les résultats sont validés par des essais d’extrusion à l’échelle industrielle, mettant en évidence l’influence du préchauffage des billettes, de la vitesse de refroidissement et des conditions de vieillissement sur la microstructure et les propriétés finales. Ce travail apporte également une compréhension fondamentale des mécanismes de précipitation dans les alliages conducteurs à base d’aluminium, appuyée par des approches de modélisation prédictive, et propose des lignes directrices pratiques pour la conception et la fabrication de conducteurs en aluminium à haute performance pour des applications industrielles.
Félicitations à Behrouz Abnar pour la soutenance de sa thèse de doctorat!
