Soutenance de thèse de DE ALBUQUERQUE SOUSA Sarah
Titre de thèse
Microstructures de solidification, propriétés mécaniques et d'usure d'alliages Al-Cu-Sn de compositions différentes
Solidification microstructures, mechanical and wear properties of Al-Cu-Sn alloys with various compositions
Résumé de la thèse
Dans le contexte des applications tribologiques (roulements et composants internes des moteurs), les alliages ternaires Al-Sn-Cu, déjà couramment utilisés dans l'industrie, doivent être améliorés pour faire face aux développements récents des nouveaux moteurs, avec des charges et des conditions de fonctionnement de plus en plus sévères. Une des options possibles est la modification de la composition de l'alliage et/ou des conditions d'élaboration afin d'obtenir une meilleure distribution de la phase riche en étain responsable des propriétés tribologiques du matériau.
L'objectif de cette thèse était d'étudier la dynamique de formation de la microstructure dans des alliages modèles Al-10Cu-xSn (avec x = 5, 10 et 20) et l'influence des paramètres de solidification sur l'alliage commercial Al-20Sn-1Cu afin d'améliorer notre compréhension de la solidification des alliages à plusieurs composants et à plusieurs phases, ainsi que leur comportement à l'usure et leurs propriétés de traction.
Dans le cadre de cette thèse qui comporte deux volets, nous avons réalisé :
• Des expériences de solidification directionnelle avec imagerie par radiographie X afin d'obtenir des informations uniques in-situ et en en temps réel sur la formation des microstructures. Les expériences de solidification ont été complétées par des mesures par calorimétrie différentielle à balayage et les résultats confrontés aux prédictions des bases de données thermodynamiques. Nos analyses ont permis une meilleure compréhension des chemins de solidification des alliages modèles Al-10Cu-xSn (avec x = 5, 10 et 20), et plus particulièrement la succession des transformations de phase au cours du refroidissement. Nous avons montré que le phénomène de séparation de la phase liquide en deux liquides non miscibles, responsable de la formation des particules d'étain, était très sensible à la composition initiale de l'alliage. Pour des alliages à faible teneur en Sn, la démixtion de la phase liquide était graduelle jusqu'à la réaction monotectique comme attendu. Par contre, pour des alliages à forte teneur en Sn, la démixtion de la phase liquide se produit en deux étapes avant la réaction monotectique. Des causes possibles pour ce dernier comportement ont été avancées.
• Un lingot de l'alliage Al-20Sn-1Cu a été produit par solidification directionnelle dans des conditions d'extraction thermique transitoire pour une large gamme de vitesses de refroidissement. La microstructure, caractérisée en termes d'espacement dendritique et de morphologie de la phase β-Sn, a été corrélée avec les propriétés mécaniques, évaluées par des essais de microdureté et de traction, ainsi qu'avec le comportement à l'usure, déterminé par le volume d'usure mesuré dans une machine à cratères à billes. Nous avons établi que les propriétés mécaniques de cet alliage sont étroitement liées à la fois à l'espacement dendritique et à l'adhérence entre la phase β-Sn et la matrice Al. Des réseaux dendritiques fins améliorent la résistance et la ductilité en favorisant le durcissement induit par la déformation hétérogène, grâce à l'adhérence accrue des phases. D'autre part, le comportement à l'usure de l'alliage Al-20Sn-1Cu est principalement influencé par la taille, la morphologie et la distribution de la phase β-Sn. Contrairement à la résistance mécanique, les meilleurs résultats ont été obtenus pour des structures dendritiques plus grossières, caractérisées par des régions β-Sn plus grandes et plus sphériques, qui améliorent les effets de lubrification en formant un film interfacial stable pendant l'usure, réduisant ainsi le coefficient d'usure. Par rapport à certains alliages lubrifiants décrits dans la littérature, l'alliage étudié a démontré des performances d'usure supérieures, notamment en termes de coefficient dimensionnel d'usure.
Thesis resume
In the context of tribological applications (bearings and internal engine components), Al-Sn-Cu ternary alloys, already commonly used in industry, need to be improved to cope with recent developments in new engines with increasingly severe loads and operating conditions. One possible option is to modify the alloy composition and/or processing conditions in order to achieve a better distribution of the tin-rich phase responsible for the tribological properties of the material.
The objective of this thesis was to study the dynamics of microstructure formation in model alloys Al-10Cu-xSn (with x = 5, 10 and 20) and the influence of solidification parameters on the commercial alloy Al-20Sn-1Cu to improve our understanding of solidification for multi-component and multi-phase alloys and their wear behavior and tensile properties.
In the framework of this two-part thesis, we performed:
• Directional solidification experiments using X-radiography to obtain unique in-situ and real-time information on microstructure formation. The solidification experiments were supplemented by differential scanning calorimetry measurements and the results were compared with predictions from thermodynamic databases. Our analyses provided a better understanding of the solidification paths of Al-10Cu-xSn model alloys (with x = 5, 10 and 20), and more specifically the sequence of phase transformations during cooling. We showed that the phenomenon of liquid phase separation into two immiscible liquids, responsible for the formation of tin particles, was very sensitive to the initial composition of the alloy. For alloys with low Sn content, liquid phase demixing was gradual until the monotectic reaction, as expected. However, for alloys with a high Sn content, the demixing of the liquid phase occurs in two stages before the monotectic reaction. Possible causes for this latter behavior have been put forward.
• An ingot with a wide range of cooling rates and, consequently, microstructural variations of the Al-20Sn-1Cu alloy was produced by directional solidification under transient heat extraction conditions. The microstructure, analyzed in terms of dendritic spacing and the morphology of the β-Sn phase, was correlated with the mechanical properties, evaluated by micro-hardness and tensile tests, as well as the wear behavior, determined through the wear volume measured in a ball-cratering machine. We have established that the mechanical properties of the Al–20Sn–1Cu alloy are closely related to both dendritic spacing and the adhesion between the β-Sn phase and the Al matrix. Finer dendritic networks improve strength and ductility by promoting hetero-deformation-induced hardening, thanks to the increased phase adhesion. The wear behavior of the Al–20Sn–1Cu alloy is mainly influenced by the size, morphology and distribution of the β-Sn phase. Unlike mechanical strength, the best performances were obtained for coarser dendritic structures, characterized by larger and more spherical β‑Sn regions, which improve lubrication effects by forming a stable interfacial film during wear, thus reducing the wear coefficient. When compared to some lubricating alloys described in the literature, the studied alloy demonstrated superior wear performance, particularly in terms of its wear dimensional coefficient.