Les avantages métallurgiques de produire des pièces par rhéomoulage sont grandement répandus pour les alliages communs de fonderie de typeAl-Si. Toutefois, d'autres alliages plus performants d'un point de vue de la résistance mécanique pourraient susciter un intérêt marqué dans des applications spécialisées de l'industrie automobile. En effet, la demande croissante de produits plus concurrentiels requiert des développements pour de nouveaux alliages. Cependant, pour demeurer compétitif, ces alliages doivent être mieux adaptés aux procédés de rhéomoulage afin de profiter pleinement des bénéfices de la mise en forme par voie semi-solide. Les alliages Al-Cu de la série 2XX sont reconnus pour leurs résistances mécaniques supérieures, mais ils n'ont jamais été des candidats au moulage sous-pression en raison de leur propension élevée aux déchirures à chaud. Cependant, le comportement rhéologique de la pâte semi-solide relié aux procédés de rhéomoulage offre de meilleures conditions de moulage qui pourraient contribuer à réduire de façon considérable ce type de défaut. Dans un premier temps, les travaux ont été orientés sur les facteurs permettant de réduire les déchirures à chaud pour des pièces de l'alliage 206 produites par le procédé semi-solide SEED. Par la suite, une étude comparative sur les propriétés mécaniques en traction et en fatigue a été effectuée sur quatre variantes de l'alliage 206. Au cours de ces travaux, plusieurs aspects métallurgiques ont été analysés, dont les principaux sont : i) les liens entre le mécanisme de fissuration à chaud et la vitesse de solidification en semi-solide pour des alliages 206 modifiés, ii) les effets des variations de composition en silicium, en cuivre et en fer des alliages 206 modifiés sur leurs propriétés mécaniques. Les résultats de résistance mécanique en traction et en fatigue ont été comparés aux spécifications pour des applications de l'industrie automobile et également à d'autres alliages et procédés concurrents. Les pièces produites à partir du procédé SEED, combinées à des alliages 206 modifiés ont pu être moulées avec succès. De plus, les résultats démontrent une réduction significative des défauts reliés aux déchirures à chaud et les performances mécaniques sont supérieures aux exigences de l'industrie automobile. Entre autres, les propriétés en fatigue des deux meilleurs alliages modifiés 206 étaient supérieures à celles d'un alliage A357 de fonderie et se rapprochaient de celles d'un alliage AA6061 forgé. Actuellement, il n'y a tout simplement pas d'application connue pour la coulée sous-pression avec l'alliage 206 {Liquid Die-casting). Ceci est principalement dû à la forte propension à la fissuration à chaud et les limitations face à la géométrie des pièces et l'assemblage subséquent. Cette étude a permis de démontrer qu'en plus de produire des pièces avec une microstructure semi-solide pour de larges variations de compositions chimiques, le procédé de rhéomoulage SEED offre la possibilité d'obtenir des pièces saines {Sound Part) et de géométrie complexe. Les conclusions de ces travaux démontrent des progrès significatifs en identifiant les principaux facteurs reliés à la faisabilité de pièces de haute performance avec l'alliage 206 à partir du procédé SEED. Cette recherche constitue donc un travail de fond sur les développements de nouveaux alliages Al-Cu pour les procédés de semi-solide et, du même coup, à l'expansion de l'aluminium pour des applications de haute performance. N. B. Le présent mémoire fait partie d'un projet de recherche élaboré par la Chaire industrielle de recherche CRSNG et RIO TINTO ALCAN sur les nouvelles avenues en métallurgie de la transformation de I 'aluminium (CIMTAL).

L'alliage AA5657 est l'un des plus importants alliages de la série 5xxx. Ces applications sont essentiellement tournées vers de nombreux domaines, comme l'électricité, l'emballage l'architecture, et l'impression. Par ailleurs, les différents domaines d'applications nécessitent une finition de surface de qualité supérieure, et une micro structure homogène des lingots d'alliages. Dans l'industrie de la coulée semi-continue verticale (Direct Chili) des lingots d'alliages d'aluminium des série lxxx et 5xxx, il existe différents taux de refroidissement entre la surface de coulée et le centre des lingots. C'est ainsi que plusieurs phases intermétalliques de Fer, tel que, AlmFe, Al6Fe, a-AlFeSi et Al3Fe se forment préférentiellement dans différentes positions du lingot. La transition de la phase intermétallique de Fer dans le lingot issu de la coulée semi-continue verticale peut causer des inhomogénéités microstructurales, qui a leur tour provoqueraient ce qu'on appelle, la structure en sapin (FTZs) dans les lingots, ainsi que des stries et des bandes sur les feuilles d'aluminium. De nos jours, avec l'augmentation des impuretés dans les matières premières (coke, alumine, etc.), la quantité des éléments de trace présent dans le métal primaire croit progressivement. Cependant, l'impact de cette croissance sur le processus de transformation de l'aluminium et sur le produit final n'est pas encore élucidé. En conséquence, il y a un besoin évident de comprendre cet effet, et permettre ainsi de proposer des solutions afin d'atténuer les effets négatifs de ces impuretés. L'étude présentée dans ce mémoire a été réalisée sur l'alliage AA5657 dans le but d'examiné l'effet des éléments de trace V et Ni sur la formation et la distribution des phases intermétalliques de Fer. Une tranche d'un lingot d'alliage AA1050 avec une structure en sapin visible a également été étudiée fin de caractériser la transition des phases intermétalliques à travers la structure en sapin. Un simulateur de coulée semi continue, capable de reproduire les conditions de solidification dan les régions des lingots a été construit dans le laboratoire du CURAL. Les méthodes utilisées pour caractériser les particules intermétalliques de Fer ont été développés dans ce travail de recherche. Les phases intermétalliques AlmFe, Al6Fe, a-AlFeSi et Al3Fe ont été identifie avec succès sur des échantillons ayant subits une attaque chimique et en utilisant ensuite une combinaison de deux techniques, spectroscopie de dispersion d'énergie et l'imagerie en diffraction d'électron rétrodififusé. Une analyse quantitative des particules intermétalliques de Fer a été aussi réalisée en utilisant la technique d'analyse d'image. Les résultants montrent la présence de quatre types de phases intermétalliques de Fer dans le lingot AA5657. Ces phases sont AlmFe, Al6Fe, Al3Fe et Al7Fe2Si (a-AlFeSi). Par ailleurs, il a été constaté que les taux de refroidissement locaux ont un effet considérable sur le type de phase formée. De plus, les phases AlmFe et Al7Fe2Si paraissent dominantes dans la zone prés de la surface du lingot où le taux de refroidissement est élève, pendant que la phase Al3Fe devient majoritaire dans le centre du lingot où le taux de refroidissement est bas. Il a été observé dans l'alliage AA1050 que AlmFe, Al6Fe, Al3Fe, Al7Fe2Si et les phases intermétalliques contenant l'élément Ni sont distribuées le long des structure en sapin, et la transition de la phase AlmFe vers la phase Al6Fe est le facteur principale qui rends les structure en sapin visibles. Il a été constaté que l'élément de trace V favorise fortement la formation de la phase AlmFe et la suppression des phases Al6Fe, Al3Fe, Al7Fe2Si dans l'alliage AA5657. L'élément Ni favorise la formation de la phase Al3Fe et supprime les phases AlmFe et Al6Fe. Dans les échantillons d'alliage AA5657 issus de la coulée semi-continue avec une teneur élevée en Ni (plus de 390 ppm), la formation de la phase contenant l'élément Ni est plus favorable. Le mécanisme expliquant l'effet des éléments V and Ni sur les phases intermétalliques de Fer a été discuté en se basant sur la théorie de l'effet des éléments de trace sur la compétitivité dans la germination et la croissance des phases.

Au cours des dernières années, les composites à matrice métallique (CMM) du type Al-B4C ont reçu une attention considérable en raison de leur légèreté, de leur conductivité thermique supérieure, de leur grande rigidité et de leur dureté. Grâce à la capacité particulière de l'isotope B10 à agir comme capteurs des neutrons, les composites Al-B4C ont été utilisés par l'industrie nucléaire à titre de matériaux absorbeurs de neutrons pour la fabrication de la section interne de contenants de transport et de stockage des combustibles nucléaires périmés. Bien que l'incorporation de particules céramiques dans la matrice d'aluminium permet d'améliorer les propriétés physiques et mécaniques de l'alliage de base, elle peut également modifier son comportement en corrosion. En outre, en tant que matériau absorbeur de neutrons utilisé dans les contenants de transport et de stockage pour les combustibles nucléaires usés, en particulier pour les applications de stockage humide, les composites Al-B4C sont continuellement en contact avec l'eau du bassin du réacteur (l'un d'eux contenant de l'acide borique avec une concentration de B - 2500 ppm), un milieu généralement considéré comme étant légèrement corrosif. Ainsi, pour des raisons de sécurité évidentes, il devient très important de comprendre leur comportement en corrosion dans un milieu d'acide borique. Cependant, à ce jour, force est de constater que très peu d'études ont été consacrées à la détermination de la tenue en corrosion des composites Al-B4C, et ce en particulier dans l'acide borique, contrairement au nombre considérable de travaux de recherche dédiés à la corrosion des composites Al-SiC et Al-Al2O3 dans divers environnements. Parmi la littérature traitant des phénomènes de corrosion, les solutions 3.5% NaCl et 0.5 M K2SO4 sont celles les plus couramment utilisées pour l'étude du comportement en corrosion des matériaux composites à matrice métallique. Par conséquent, la présente recherche a visé l'étude du comportement en corrosion des composites CMM du type Al-B4C dans trois solutions, soit H3BO3 contenant 2500 ppm B, 3.5% NaCl et 0.5 M K2SO4. Parmi les solutions considérées, celle de NaCl a été identifiée comme étant celle induisant le plus de dommages au composite Al-B4C suivie, dans l'ordre, des solutions de K2SO4 et de H3BO3. Aucune corrosion appréciable n'a été observée dans les solutions d'acide borique et de K2SO4. Cependant, des piqûres apparentes ont été observées suite aux essais réalisés dans la solution de NaCl, et ce pour tous les matériaux étudiés. Pour l'alliage de base, le site préférentiel de piqûration était l'interface Al/Fe générée par la présence de particules intermétalliques. Pour le composite, l'interface AI/B4C était celle la plus favorable au développement de la corrosion localisée. Par ailleurs, il a été constaté que la résistance à la corrosion des matériaux composites diminue lorsque la fraction volumique de B4C est augmentée. Dans le but de contrer l'agressivité des phénomènes de corrosion observés pour le CMM dans la solution de NaCl, une partie des travaux réalisés s'est intéressée à l'inhibition de la corrosion du composite dans cet environnement. À cette fin, le benzotriazole (BTAH) a été utilisé comme inhibiteur de corrosion, et son effet a été systématiquement étudié en fonction de sa concentration, de la fraction volumique des particules de B4C et du temps d'inhibition, en utilisant la polarisation potentiodynamique, l'impédance électrochimique et la spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption. Les résultats montrent que le BTAH est un inhibiteur efficace pour contrer la corrosion du composite Al-B4C dans une solution de 3,5 g/L NaCl, et son efficacité s'accroît lorsque sa concentration augmente. Pour une concentration de BTAH fixe et pour une même durée d'inhibition, l'augmentation de la fraction volumique de B4C dans le composite conduit à une plus grande efficacité d'inhibition du BTAH. L'efficacité du processus d'inhibition par le benzotriazole est également influencée par la durée d'immersion dans la solution: l'efficacité d'inhibition augmente durant les 18 premières heures d'immersion, alors qu'une prolongation de la durée d'immersion entraîne une diminution de l'efficacité du BTAH. Puisque le BTAH est un inhibiteur à caractère cathodique, il agit en s'adsorbant physiquement sur les particules de B4C à la surface du composite, lequel processus obéit à un isotherme d'adsorption de Freundlich. Le mécanisme de corrosion dans la solution de K2SO4 a également été étudié en utilisant la spectroscopie d'impédance électrochimique et les méthodes de polarisation potentiodynamique. La microscopie optique, la microscopie électronique à balayage, ainsi que la profilométrie ont été utilisées pour étudier la morphologie de la surface des matériaux avant et après corrosion. De plus, la spectroscopie infrarouge de réflexionabsorption et la spectroscopie de photoélectrons X ont été utilisées pour identifier les produits de corrosion. Tel que révélé par les analyses de surface, l'espèce SO42- n'a pas induit de piqûres à la surface du composite. Puisque les particules de B4C ont un caractère cathodique par rapport à la matrice périphérique d'aluminium, la corrosion galvanique entre les particules de B4C et la matrice Al a été considérée comme étant le principal mécanisme de corrosion. Les spectroscopies IRRAS et XPS ont montré que la bayerite (Al(OH)3) est le principal produit de corrosion généré durant une immersion prolongée dans la solution de K2SO4. À titre de matériaux non structuraux utilisés pour la fabrication de contenants de transport et de stockage pour les combustibles nucléaires usés, les composites AA1IOO-B4C sont souvent assemblés à des matériaux structuraux tels que l'alliage d'aluminium AA6061 ou l'acier inoxydable 304 (SS304). Par conséquent, les composites AA1100-B4C deviennent couplés galvaniquement aux alliages AA6061 ou SS304, ce qui peut avoir comme effet d'accélérer la corrosion du matériau le moins noble du couple. Pour cette raison, les phénomènes de corrosion galvanique associés aux couples AA1100-B4C/AA6O6I et AA1100-B4C/SS304 dans les solutions 3.5% NaCl et H3BO3 contenant 2500 ppm de bore, ont été étudiés en utilisant un ampèremètre de résistance nulle (ZRA). Les effets dus à la dissimilarité des matériaux, à la solution d'immersion, et au rapport des aires des surfaces couplées galvaniquement ont été investigués. Dans la solution de NaCl, il a été déterminé que peu importe la nature du matériau structural couplé avec le CMM (SS304 ou AA6061), l'alliage de base (AA1100) ou les composites agissent toujours comme anode et les courants galvaniques mesurés sont directement proportionnels à la surface de la cathode. En revanche, dans la solution de H3BO3, les composites corrodent de façon préférentielle en présence de SS304, tandis que le AA6061 protège les composites de la dissolution. Bien que la corrosion galvanique soit contrôlée par la diffusion de l'oxygène à la cathode dans les solutions de NaCl et de H3BO3, son intensité est de loin inférieure dans la solution de H3BO3, en comparaison avec la solution de NaCl. Le contenu en B4C du composite joue également un rôle clé dans la corrosion galvanique, son influence étant modulée par la composition de la solution et les matériaux avec lesquels le composite est couplé. Toutes les expériences ont été réalisées à température ambiante. Cependant, les composites Al-B4C sont immergés dans l'acide borique à une température élevée en situation réelle. Alors, l'auteur propose d'étudier le comportement à la corrosion des composites Al-B4C dans l'acide borique à une température élevée et d'enquêter sur la corrosion galvanique associés aux couples composites Al-B4C / SS304 et composites Al-B4C / AA6061 dans l'acide borique à une température élevée. - In recent years, Al-B4C metal matrix composites (MMCs) have received considerable attention due to their light weight, superior thermal conductivity, high stiffness and their hardness. Owing to the special capturing neutron ability of isotope B10, Al-B4C MMCs have been increasingly used as excellent neutron absorber materials to fabricate the inside basket of transport and storage casks for spent nuclear fuels in the nuclear industry. Although the incorporation of the ceramic particles into the Al matrix can enhance the physical and mechanical properties of the base material, it may also change its corrosion behavior. Besides, as neutron absorber material used in the spent fuels storage racks or transportation casks, especially in the wet storage application, Al-B4C MMCs are continuously in contact with the reactor pool water (i.e. one of them is the boric acid with B concentration of -2500 ppm), which is generally considered to be mildly corrosive. Thus, from the safety point of view, it is of paramount importance to understand their corrosion behavior in boric acid solution. However, up to date, very limited studies have been devoted to the corrosion behavior of the Al-B4C MMCs, especially in boric acid, in contrast to considerable research in the corrosion behavior of Al-SiC and AI-AI2O3 composites in various environments. Among literature on corrosion, 3.5% NaCl and 0.5 M K2SO4 are the most commonly used solutions in studying the corrosion behavior of the composites. Therefore, the present research aimed at investigating the corrosion behavior of Al-B4C MMCs in three solutions, i.e. 2500 ppm boron-containing H3BO3 solution, 3.5% NaCl and 0.5 M K2SO4. Al-B4C MMCs corroded most in the NaCl solution followed by K2SO4 and H3BO3 in order. No appreciable corrosion was observed in boric acid and sulfate solutions, while apparent pitting was observed in the NaCl solution for all materials studied. The preferential pitting sites were the Al/Fe intermetallics interfaces for the base alloy and the A1/B4C interfaces for the composites. Besides, it is observed that the corrosion resistance of the composites decreases with increase in B4C volume fraction. The corrosion inhibition of Al-B4C MMCs in the NaCl solution was consequently investigated. Benzotriazole (BTAH) was tentatively used as a corrosion inhibitor for Al- B4C composites in the NaCl solution and its corrosion inhibition effect was systematically investigated as function of its concentration, volume fraction of B4C particles and inhibition time by using potentiodynamic polarization, electrochemical impedance and infrared reflection adsorption spectroscopy techniques. Results show that BTAH is an efficient corrosion inhibitor for the Al-B4C MMCs in a 3.5 g/L NaCl solution, and its inhibition efficiency increased when increasing the BTAH concentration. For the same BTAH concentration and immersion time, higher B4C volume fraction leads to higher corrosion inhibition efficiency. The inhibition efficiency of benzotriazole was also influenced by the inhibition time: The inhibition efficiency increases with the immersion time in the first 18 hours. However, prolonging the immersion time leads to a decrease in the inhibition efficiency. As BTAH was an inhibitor with a cathodic character, it inhibited corrosion by physically adsorbing on B4C particles at the composite surface, which obeyed the Freundlich adsorption isotherm. The corrosion mechanism in K2SO4 solution was also studied by employing electrochemical impedance spectroscopy and potentiodynamic polarization methods. Optical and scanning electron microscopes as well as profilometry were employed to study the surface morphology of the material before and after corrosion. Moreover, infrared reflection-absorption spectroscopy (IRRAS) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to identify the corrosion products. SO42- species did not induce pitting of the AA1100-16 vol. % B4C. Since B4C particles showed a cathodic character with respect to the peripheral matrix, therefore, the galvanic corrosion between B4C particles and the Al matrix was considered to be the premier corrosion mechanism. IRRAS and XPS results showed that bayerite A1(OH)3 was the principal corrosion product. As non-structural neutron absorber materials used to fabricate the inside basket of spent fuel storage racks or transportation casks, AA1100-B4C MMCs are often assembled to structural materials AA6061 or SS304. Consequently, the AA1100-B4C MMCs are galvanically coupled to AA6061 or SS304, which could potentially accelerate the corrosion of the less noble material. Therefore, the galvanic corrosion associated with AA1100-B4C MMCs/AA6061 and AA1100-B4C MMCs/SS304 couples in 3.5% NaCl and 2500 ppm boron-containing H3BO3 solutions was investigated by using a zero resistance ammeter (ZRA). The effects of dissimilar materials, immersion solution, and ratio of the coupled material areas are reported. In the NaCl solution, depending on the nature of the coupling agent (SS304 or AA6061), the composite or base alloy always acts as an anode and the measured galvanic currents are directly proportional to the cathode area. In contrast, in the H3BO3 solution, the composites preferentially dissolve in the presence of SS304, while AA6061 protects the metal matrix composites from dissolution. Although galvanic corrosion is controlled by oxygen diffusion at the cathode in both NaCl and H3BO3 solutions, its intensity is appreciably lower in the H3BO3 solution in comparison with the NaCl solution. The B4C content is also found to play a key role in galvanic corrosion; its influence is modulated by the solution composition and the materials to which the composite is galvanically coupled. Above all experiments were carried out in room temperature. However, Al-B4C composites are immersed in boric acid at elevated temperature in the real situation. In the future work, the author suggests to studying the corrosion behavior of Al-B4C composites in boric acid at elevated temperature and investigating the galvanic corrosion associated with Al-B4C MMCs/SS304 and Al-B4C MMCs/AA6061 couples in boric acid at elevated temperature.

L'aluminium est produit via Pélectrolyse et les anodes utilisées dans ce procédé sont fabriquées du carbone. La basse consommation du carbone (anode) est importante pour l'industrie de l'aluminium parce qu'elle affecte directement le coût de production aussi bien que les émissions environnementales. La consommation des anodes est fortement influencée par ses propriétés. Dans l'électrolyse d'aluminium, l'étude de la fabrication des anodes et l'amélioration de la technique de sa production permettront l'économie en énergie et la réduction des émissions gazeuses pour l'industrie d'aluminium. Les réactivités à CO2 et à l'air et la perméabilité à l'air sont des indices importants pour l'évaluation des anodes en carbone parce que non seulement elles sont liées à la densité de ces dernières mais aussi à leur consommation, et cela permettra la détermination des potentiels pour l'économie en énergie et la réduction des émissions de CO2 et de gaz nocifs durant la production des anodes en carbone. L'objectif global du projet est d'améliorer la qualité des anodes présentement utilisées. Premièrement, une enquête du procédé à l'usine à été effectuée pour identifier les parties problématiques. Des petits échantillons des anodes ont été préparés à partir des matières premières disponibles à la province de Guizhou de la Chine. Des différentes formulations des anodes ont été essayées. Parmi toutes les formulations, la meilleure a été choisie en comparant leurs propriétés (la perméabilité à l'air, les réactivités à l'air et à CO2). Les microstructures des cokes et des anodes et le comportement de la pénétration du brai ont été analysés avec MEB. Les échantillons, préparés suivant des formulations pré11 déterminées, ont été cuits dans un analyseur thermogravimétrique (TGA). L'analyse des volatiles a aussi été effectuée en utilisant un cromotographe à gaz (GC) couplé avec le TGA. A partir de ces données, les paramètres du model cinétique de la dévolatilisation, développé antérieurement à l'UQAC, ont été déterminés. Les propriétés des anodes (les réactivités à CO2 et à l'air et la perméabilité à l'air) cuites dans TGA aussi bien que celles cuites à l'usine ont été mesurées. La qualité des anodes a été corrélée avec les propriétés des matières premières et les conditions de la préparation de la pâte et de la cuisson des anodes. - Aluminum is produced by electrolysis, and the anodes used for this process are made of carbon. Low carbon (anode) consumption is important for the aluminum industry because it directly affects the cost of production as well as environmental emissions. The anode consumption is strongly influenced by the properties of anode. In aluminum electrolysis, the study of carbon anode manufacturing and the improvement of its production techniques lead to savings in energy and reduction in gaseous emissions for the aluminum company. The CO2 and air reactivities and air permeability are important indices to evaluate carbon anodes because they relate not only to anode density but also to anode consumption, which will help assess the potential for saving energy and reducing CO2 and hazardous gas emissions of the carbon anode production process. The global objective of the project is to improve the quality of the presently used carbon anodes. First a plant process review was conducted to identify the problem areas. Small anode samples were prepared from the raw materials available in the Guizhou province of China. Different anode formulations were tried. The best one among them was chosen based on the anode properties (air permeability, air and CO2 reactivities) obtained. The microstructures of cokes and anodes and the pitch penetration behavior were analyzed using SEM. The anode samples prepared with pre-determined formulation were baked in a thermogravimetric analyzer (TGA). The volatile analysis was carried out using a gas chromatograph (GC) coupled with the TGA. From these data, the parameters of the kinetic model of the devolatilization developed previously at UQAC were determined. The properties of anodes (CO2 reactivity, air reactivity, and air permeability) baked in the TGA were also measured. Anode quality (properties) was correlated with the properties of raw materials as well as paste preparation and anode baking conditions.

Over the last three decades the semi-solid metal (SSM) processing has received significant attention. Semi-solid processing involves the net shape manufacturing of alloys in the semi-solid state. The principal attraction for the process has been the unique rheology of the slurry which induces better movement of materials through the die and allows intricate thin-wall near net shape components to be cast at lower applied pressures. This behaviour offers considerable advantages to the quality of castings. The reduced oxide entrapment, low porosity and a lower operating temperature make semi-solid processing ideal for the forming of high integrity parts. The aim of the current study was to investigate the rheological behavior and microstructural evolution of hypereutectic Al-Si-Cu and Al-Si-Mg-Cu alloys using conventional and modified SEED process (Swirled Enthalpy Equilibration Device). This project is divided into four parts. In the first part, the feasibility of semi-solid processing of hypereutectic Al-Si-Cu A390 alloys using a novel rheoforming process was investigated. A combination of the SEED process, isothermal holding using insulation and addition of solid alloy during swirling was introduced as a novel method to improve the processability of semi-solid A390 slurries. The effects of isothermal holding and the addition of solid alloy on the temperature gradient between the centre and the wall and on the formation of a-Al particles were examined. In addition, phosphorus and strontium were added to the molten metal to refine the primary and eutectic silicon structure to facilitate semi-solid processing. It was found that the combination of the SEED process with two additional processing steps can produce semisolid 390 alloys that can be rheoformed. The microstructure reveals an adequate amount of non-dendritic a-Al globules surrounded by liquid, which greatly improves the processability of semi-solid A390 slurries. In the second part, the effects of Mg additions ranging from 6 to 15% on the solidification behaviour of hypereutectic Al-15Si-xMg-4Cu alloys was investigated using thermodynamic calculations, thermal analysis and extensive microstructural examination. The Mg level strongly influenced the microstructural evolution of the primary Mg2Si phase as well as the solidification behaviour. Thermodynamic predictions using ThermoCalc software reported the occurrence of six reactions, comprising the formation of primary Mg2Si, two pre-eutectic binary reactions, forming either Mg2Si + Si or Mg2Si + a-Al phases, the main ternary eutectic reaction forming Mg2Si + Si + a-Al, and two post-eutectic reactions resulting in the precipitation of the Q-Al5Mg8Cu2Si6 and O-Al2Cu phases, respectively. Microstructures of the four alloys studied confirmed the presence of these phases, in addition to that of the 7i-AlgMg3FeSi6 phase. The presence of the pi-phase was also confirmed by thermal analysis. The morphology of the primary Mg2Si phase changed from an octahedral to a dendrite form at 12.52% Mg. Further Mg addition only coarsened the dendrites. Image analysis measurements revealed a close correlation between measured and calculated phase fractions of the primary Mg2Si and Si phases. ThermoCalc and Scheil calculations show good agreement with the experimental results obtained from microstructural and thermal analyses. In the third part, the effects of P and Sr on the microstructure of hypereutectic Al-15Si-14Mg-4Cu alloy were studied. The microstructural examination and phase identification were carried out using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). The effects of individual and combined additions of P and Sr on the eutectic arrest in Al-15Si-14Mg-4Cu alloy were examined using thermal analysis. The mean size of primary Mg2Si decreases from about 350 um to less than 60 um and the morphology changes from coarse dendritic type or equiaxed to polygonal type. In addition, the morphology of the eutectic Mg2Si phase changes from coarse Chinese script to fine fiber-like, while that of the eutectic Si phase changes from coarse acicular shape to a fine fibrous form. With Sr addition, the morphology of the pi-Fe phase evolved from Chinese script to a fine twin platelet form. Furthermore, the thermal analysis results reveal that the addition of Sr or Sr and P reduces the temperature of eutectic nucleation and growth. Quantitative measurements revealed a reduction in the particle area and an increase of the density of Mg2Si, Si and pi-Fe phases. The Sr or Sr + P combined additions are effective in modifying the eutectic Si, Mg2Si and pi-Fe phases for the Al-15 Si-14Mg-4Cu alloy. Finally, the rheological behaviour and microstructure of semi-solid hypereutectic A390, P-refined A390, Al-15Si-10.5Mg-4Cu and Al-15Si-13.5Mg-4Cu alloys were investigated by using parallel plate viscometry. The flow deformation of these alloys in the semi-solid state was characterized at different deformation rates and at variable solid fractions. The calculated viscosity for variable shear rate was deduced using the analytical method developed by Laxmanan and Flemings. Microstructures of the four alloys, after partial solidification, were examined in order to characterize the flow behaviour during deformation. An image analysis was used for quantification of particle segregation and effective volume fraction. The apparent viscosity of all studied alloys increased with increasing solid volume fraction, and decreased with increasing shear rate. The comparison of the apparent viscosity of the four alloys indicated that the higher the Mg in the alloy, the higher the apparent viscosity was for the range of shear rates and solid fractions investigated. It is also shown that the refined A390 alloy has the lowest apparent viscosity due to the small size of primary Si particles. In addition, a separation of liquid and solid phase was also observed for all alloys in the microstructure study of deformed semi-solid billets. - Au cours des trois derrières décennies, la mise en forme à l'état semi-solide a suscité beaucoup d'attention. Cette méthode consiste à fabriquer des pièces mécaniques finies à l'état semi solide. L'attraction principale de cette technique réside essentiellement dans son unique propriété rhéologique qui confère un meilleur écoulement à la gelée à travers la filière du moule et permet par la suite l'optimisation de la pression nécessaire pour un remplissage adéquat. L'objectif principal de ce travail est l'élude du comportement rhéologique ainsi que l'évolution microstructurale des alliages hypereutectiques Al-Si-Mg-Cu en utilisant deux méthodes différentes, le procédé SEED conventionnel et modifié. Ce travail de recherche est divisé en quatre parties. La première partie est consacrée à l'étude de la faisabilité de la mise en forme à l'état semi-solide d'alliage hypereutectique Al-Si-Cu 390 en utilisant un nouveau procédé de rhéoformage. En effet, la combinaison du procédé SEED conventionnel, un maintien isotherme avec isolation du moule et l'ajout de petits morceaux d'alliages pendant le brassage a été introduit comme une nouvelle méthode capable de produire une gelée. Par la suite, l'effet induit par le maintien isotherme et l'ajout de morceaux d'alliages sur le gradient de température au centre et à la paroi du moule ainsi que sur la formation des particules a-Al a été examiné. Dans certain tests supplémentaires, des quantités appropriées de phosphore et de strontium ont été introduite dans le métal liquide dans le but d'affiner le silicium primaire et eutectique, et faciliter par la suite la mise en forme de la gelée. Il a été constaté que la combinaison du procédé SEED avec deux étapes supplémentaires est une technique capable de produire une gelée d'alliage A390. En plus, la microstructure de la gelée révèle une quantité suffisante de globules d'aluminium (a-Al) entourées de liquide. Dans la deuxième partie, l'effet de l'addition de quantités de Mg allant de 6 à 15% sur le chemin de solidification et la microstructure des alliages hypereutectiques Al-15Si-xMg-4Cu a été étudié en utilisant des calculs thermodynamiques, une analyse thermique et un examen microstructural approfondi. La teneur en Mg influence fortement la cinétique de formation de la phase primaire Mg2Si ainsi que le chemin de solidification du système. La prédiction thermodynamique en utilisant ThermoCalc montre l'existence de six réactions, incluant la formation de la phase primaire Mg2Si, deux réactions pré-eutectique binaires formant soit les phases Mg2Si et Si ou Mg2Si et a-Al, la réaction eutectique ternaire (Mg2Si + Si + a-Al), et deux réactions post-eutectiques aboutissant à la précipitation des phases QAl5Mg8Cu2Si6 et O-Al2Cu, respectivement. Les microstructures des quatre alliages étudiés ont par la suite confirmé la présence de toutes ces phases, y compris la phase nIV Al8Mg3FeSi6. La présence de la phase pi-Fe riche en fer a été également confirmée par l'analyse thermique. L'addition de teneurs supérieures à 12.52% Mg induit une évolution de la morphologie de la phase primaire Mg2Si d'une forme octaédrique vers une forme dendritique et une augmentation significative des dendrites. L'analyse quantitative a révélé une corrélation entre les fractions volumiques mesurées et calculées de la phase primaire Mg2Si et Si. Enfin, les résultats obtenues par ThermoCalc et soutenues par la méthode Scheil montrent un bon accord avec les résultats expérimentaux obtenus à partir des analyses microstructuraux et thermiques. Dans la troisième partie, l'effet des éléments d'addition P et Sr sur la microstructure de l'alliage hypereutectique Al-15Si-14Mg-4Cu a été étudié. La caractérisation microstructural et l'identification des différentes phases ont été réalisées en utilisant un microscope optique et un microscope électronique à balayage (MEB). L'apport individuel et combiné de P et Sr sur la température eutectique de l'alliage Al-15Si-14Mg-4Cu a été étudié à l'aide de l'analyse thermique. La taille moyenne de la phase primaire Mg2Si a diminuée de 350 um à moins de 60 um et sa morphologie a évoluée d'une forme dendritique vers une forme polygonale. En plus, la morphologie des phases eutectique Mg2Si et Si ont changé respectivement d'une forme d'écriture chinoise et d'une forme aciculaire vers une forme fibreuse de taille fine. L'addition de Sr a aussi montré le changement de la morphologie de la phase intermétallique 7t-Fe. Les résultats de l'analyse thermique ont révélés une diminution des températures de germination et de croissance eutectique. L'analyse quantitative a montrée une réduction de la taille des particules et l'augmentation de la densité des phases Mg2Si, Si et rc-Fe. L'addition de Sr ou la combinaison de Sr avec P est avéré très efficace pour affiner la phase primaire Mg2Si et modifier les phases eutectiques Mg2Si, Si ainsi que la phase rc-Fe de l'alliage Al-15Si-14Mg-4Cu. Enfin, le comportement rhéologique et l'évolution microstructural des alliages hypereutectique A390, A390 affiné, Al-15Si-10.5Mg-4Cu et Al-15Si-13.5Mg-4Cu à l'état semi-solide ont été étudiés à l'aide d'un viscosimètre. La déformation de ces quatre alliages à l'état semi-solide a été caractérisée à différentes vitesses de déformations et à fractions de solides variables. La viscosité apparente a été calculée en utilisant le modèle développé par Laxmanan et Flemings. Les microstructures des quatre alliages, après solidification partielle, ont été examinées afin de caractériser le comportement rhéologique lors de la déformation. Une analyse d'image a été réalisée pour quantifier la ségrégation des particules solides et la fraction volumique effective. Les résultats montrent une augmentation de la viscosité apparente des quatre alliages étudiés avec l'augmentation de la fraction solide, et la diminution du taux de cisaillement. La comparaison de la viscosité apparente des quatre alliages indiquait que l'alliage contenant une teneur élevée en Mg possédait une plus grande viscosité apparente pour la gamme du taux de cisaillement et de fractions solides étudiés. Il est également montré que l'alliage affiné A390 a la plus faible viscosité apparente en raison de la diminution de la taille des particules de silicium primaire. En outre, une séparation des phases liquides et solides a également été observée pour tous les alliages au cours de l'étude microstructural des billettes déformées à l'état semi-solide.

Plusieurs pays nordiques à climat froid comme le Canada sont souvent soumis à des tempêtes de verglas entrainant parfois d'énormes pertes économiques et sociales. Les accumulations de glace ou de neige collante sur les équipements des réseaux électriques peuvent représenter un réel problème pour les compagnies de transport et de distribution de l'énergie électrique opérant dans ces régions. De tels événements peuvent engendrer des coûts excessifs, notamment en raison de l'arrêt des activités économiques, de bris d'équipements, d'opérations de déglaçage {méthodes actives) et, ultimement, de la protection de la sécurité publique. Ce type de catastrophe aura toutefois sensibilisé les entreprises de transport d'énergie électrique et les chercheurs à la nécessité de développer des surfaces dites superhydrophobes ou glaciophobes pouvant considérablement réduire la force d'adhésion de la glace {méthodes passives). En fait, plusieurs travaux de recherche ont mené au développement d'une variété de nouvelles surfaces nanostructrées à l'aide de diverses stratégies. Ainsi, ces travaux ont contribué à la conception des surfaces superhydrophobes présentant des angles de contact supérieurs à 150° et une faible force d'adhérence de la glace. Une meilleure compréhension des différents mécanismes impliqués dans le processus d'adhésion de la glace sur différentes surfaces solides est primordiale, et ce, afin d'optimiser ces dernières pour en maximiser les propriétés glaciophobes. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse effectués dans le cadre des activités de la Chaire de recherche du Canada sur l'ingénierie du givrage des réseaux électriques (INGIVRE). Ils auront pour but d'améliorer les connaissances sur le phénomène et s'intéresseront particulièrement à l'évaluation des différentes forces mises en jeu à l'interface glace/substrat lors d'un contact glace/surface solide, ainsi qu'à la rugosité ou à la porosité du matériau. L'étude a montré clairement que l'énergie électrostatique, celle de van der Waals et l'énergie résultant des liaisons hydrogène sont les principales énergies au niveau moléculaires responsables de l'adhésion de la glace sur une surface donnée. Concernant l'énergie électrostatique, basé sur le principe de charge image, cette énergie dépend du type de matériau en contact avec la glace, de la distance qui sépare la glace du matériau et du type de défaut présent à la surface de la glace. L'énergie de van der Waals, quant à elle, varie en fonction du type de matériau, de l'épaisseur de la couche quasi-liquide et de la température. Pour ce qui est de l'énergie associée à la liaison hydrogène, cette dernière dépend aussi du type de matériau, de la température, de la masse de la goutte, de l'angle de contact statique et de l'angle de glissement. L'ordre de grandeur de cette énergie est relativement supérieur à celle de van der Waals. Cette dernière demeure toujours présente lorsque la glace est en contact avec une surface solide. Par contre, les valeurs d'énergie électrostatique obtenues sont très élevées comparativement aux deux autres énergies. La partie expérimentale de cette étude nous a clairement indiqué que la force d'adhérence de la glace dépend de la rugosité du matériau en contact avec la glace. Plus la rugosité est importante dans le cas des métaux possédant une fine couche d'oxyde protectrice, plus la force d'adhérence est importante. Un polissage de la surface de ces métaux a permis de réduire considérablement la force d'adhérence de la glace. Par contre, dans le cas d'une surface d'aluminium anodisée recouverte de PTFE, plus la morphologie est rugueuse et effilée, plus la force d'adhérence de la glace est faible. Les résultats expérimentaux ont prouvé que les revêtements PTFE demeurent résistants aux cycles de glaçage/déglaçage. Même après 15 cycles de glaçage/déglaçage, les surfaces sont hydrophobes avec un angle de contact statique supérieur à 130°. - Several Nordic countries with cold climates like Canada are often subjected to ice storms causing major economic and social losses. Ice or sticky snow adhesion on power network equipment can be a significant issue in transmission and distribution of electrical energy for companies operating in these regions. The costs of such events can be substantial, particularly due to the cessation of economic activities, equipment failures, deicing techniques (active methods), and population safety. Because of such events, power companies have understood the need to develop so-called superhydrophobic and/or icephobic surfaces, which can significantly reduce ice adhesion (passive methods). Several studies have led to the development of a variety of new nanostructured surfaces using various strategies. These studies have led to the design of superhydrophobic surfaces with contact angles greater than 150 and low ice adhesion strength. In order to optimally reduce the ice adhesion strength on different substrates, better understanding of the various mechanisms involved in the icing process is essential. It is in this context and within the framework of Canada's research chair on atmospheric icing of power networks (INGIVRE) that this thesis was carried out, aiming to improve the knowledge of atmospheric icing, and explain the forces involved at the ice/substrate interface. Furthermore, the effect of contact angle, surface roughness and porosity on icing and ice/substrate interface was investigated. This study clearly showed that the electrostatic, van der Waals and hydrogen bond forces are the main contributors to ice adhesion to a surface at the molecular level. The electrostatic energy, based on the principle of image charge, depends on the type of material in contact with the ice, the distance between the ice and the material, and the types of ice surface defects. The van der Waals energy depends on the material type, the thickness of the liquid water layer, and the temperature. For its part, the energy associated with hydrogen bonds depends on the material type, temperature, droplet mass, as well as on the static and sliding contact angles. Among these three forces, the electrostatic energy is the largest. Whereas the hydrogen bond energy is larger than the van der Waals energy. However, the latter is always present as long as ice is in contact with a solid surface. The experimental study showed that ice adhesion strength depends on the surface roughness of the substrate. In the case of metals with a thin natural protective oxide layer, higher roughness leads to higher ice adhesion strength. In other words, polished metallic surfaces exhibit lower ice adhesion strengths. However, in the case of anodized aluminum surfaces coated with PTFE, the roughened needle-like structure resulted in lower ice adhesion. The experimental results showed that PTFE coatings remain resistant to icing/deicing cycles. Even after 15 icing/deicing cycles, surfaces remain hydrophobic with a static contact angle greater than 130°.

Ce projet a été entrepris pour étudier les interactions entre les particules d'alumine, les alliages d'aluminium et ses inclusions sous des conditions d'écoulement de l'aluminium liquide. Le but du projet était de développer une méthode d'essai qui permet de simuler les conditions similaires à celles dans le procédé de filtration d'aluminium et d'évaluer les interactions qui ont lieu entre les différents types d'échantillons d'alumine, les alliages d'aluminium et ses inclusions. Cette méthode d'essai avait pour but de déterminer commenles différents types d'alumine se comportent durant le procédé de filtration. Les interactions chimiques entre l'alumine, les alliages d'aluminium et ses inclusions ont été étudiées dans des conditions d'écoulement statiques et dynamique. Afin d'étudier ces interactions dans des conditions d'écoulement dynamique, la connaissance du champ de vitesse au voisinage des particules d'alumine est nécessaire. Dans ce projet, deux systèmes expérimentaux uniques qui peuvent simuler l'écoulement dans le lit du filtre industriel ont été conçus et construits. Un modèle mathématique a été développé pour prédire le champ d'écoulement autour des particules dans le système expérimental. Le modèle mathématique a été validé en comparant les prédictions avec les résultats d'un modèle physique dans lequel l'eau était utilisée comme fluide. Ensuite, le modèle mathématique a été utilisé pour effectuer des études paramétriques afin de déterminer les paramètres de design et d'opération pour le système expérimental actuel dans lequel les tests ont été faits. Cela a permis de générer un champ d'écoulement similaire à celui du filtre industriel. Des expériences avec divers alliages d'aluminium-magnésium liquide (0, 2, 5 et 7% Mg, en poids) ont été réalisées pour des différents temps de résidence (de 6 heures à 168 heures) en utilisant les systèmes expérimentaux décrits ci-hauts. Les effets de la vitesse de l'alliage d'aluminium liquide, de la température du liquide, des propriétés physiques (porosité apparente, la rugosité de la surface, etc.) et chimiques (teneur en impuretés telles que Na2O, SiO2, etc.) sur le degré des réactions interfaciales entre l'alliage d'aluminium et l'alumine ont été déterminés. Les échantillons obtenus des expériences aluminium-alumina ont été analysés à l'aide du microscope optique, du microscope électronique à balayage - la spectroscopie aux rayons X à dispersion d'énergie (MEB-EDX), du microprobe MEB, et de la diffraction des rayons X (DRX). Les résultats montrent que les réactions chimiques entre l'alpha-alumine pure à haute densité et les alliages Mg-Al liquides ne sont pas rapide; mais, la présence des impuretés (telle que Na2O en tant que phase de bêta-alumine) et la structure poreuse de l'alumine augmentent l'étendue des réactions significativement. La phase riche en Na2O (bêta-alumine) qui se trouve dans toutes les alumines commerciales semble être l'un des facteurs les plus importants pour les réactions spontanées avec la vapeur de magnésium, même au temps de résidence le plus court. Mg-spinelle a été trouvé comme le produit de réaction le plus important. L'analyse thermodynamique indique la même tendance. - This project was undertaken to study the interactions between alumina particles, aluminum alloys, and its inclusions under liquid aluminum flow conditions. The objective was to develop a test method which can simulate the conditions similar to those in the aluminum filtration process and to evaluate the interactions taking place between various types of alumina samples, aluminum alloys, and its inclusions. With this test method, it was aimed to determine how various alumina types behave under flow conditions during the filtration process. Chemical interactions between alumina, aluminum alloys, and its inclusions were investigated under both static and dynamic flow conditions. In order to study these interactions under dynamic flow conditions, a knowledge of the velocity field in the vicinity of the alumina particles is necessary. In this project, two unique experimental systems which can simulate the flow condition of the industrial bed were designed and built. A mathematical model was also developed to predict the flow field around the particles in the experimental system. The mathematical model was validated by comparing the predictions with the results from a physical model in which water was used as the fluid. The mathematical model was then used to conduct parametric studies to determine the design and operational parameters for the actual experimental system in which the tests were carried out. This allowed the generation of a flow field similar to that of the industrial filter. The experiments with various liquid Mg-Al alloys (0, 2, 5, and 7 wt% Mg) were conducted for different residence times (from 6 hours to 168 hours) using the above experimental systems. The effects of the liquid aluminum alloy velocity, the temperature of the melt, the physical (apparent porosity, surface roughness, etc.) and chemical (impurity content such as Na2O, SiO2 etc.) properties of alumina samples on the extent of aluminum alloy/alumina interfacial reactions were determined. The samples obtained from aluminum-alumina experiments were analyzed by using the optical microscope, the scanning electron microscope - energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX), the micro probe SEM, and X-ray diffraction (XRD). The results indicate that the chemical reactions between high density pure alpha-alumina and molten Mg-Al alloys are not fast; however, the presence of impurities (such as Na20 as beta alumina phase) and the porous structure in alumina increase the extent of reactions significantly. Na2O rich phase (beta alumina) found in all commercial alumina grades seems to be one of the most important contributors for the spontaneous reactions of Mg vapor with alumina, even at the shortest residence time. The major reaction product was found to be Mg-spinel. The thermodynamic analysis indicated the same tendency.

C'est afin de mieux comprendre l'adhésion de la glace atmosphérique sur un substrat qu'un modèle mathématique a été fait prenant en considération l'existence d'une couche amorphe présente à la surface d'un cristal de glace. L'existence de cette couche amorphe, dite couche semi-liquide, a été suggérée en 1859 par le physicien britannique Michael Faraday lors de ses études sur la glace ayant pour objectifs d'expliquer le caractère glissant de la glace comparativement aux autres cristaux. Le modèle mathématique présenté dans ce mémoire a comme premier postulat que la couche semi-liquide est la cause principale de l'adhésion de la glace sur les matériaux et que c'est par la force d'adhésion capillaire qu'elle adhère aux matériaux. C'est en utilisant cette approche qu'une équation a été trouvée permettant de calculer la contrainte limite en cisaillement qu'il est nécessaire d'appliquer sur un morceau de glace atmosphérique ayant été accrété sur un substrat afin dele faire détacher de celui-ci. Cette équation met en relation les conditions de givrage, les paramètres de surface du substrat, la dimension des gouttelettes d'eau surfondues présentes à l'intérieur du nuage atmosphérique ainsi que le temps de nucléation d'une gouttelette d'eau surfondue lors de son impact avec le substrat. Afin de vérifier la validité de ce modèle, des essais en chambre climatique et en soufflerie réfrigérée permettant de recréer les conditions atmosphériques de givrage ont été effectués. Les essais en chambre climatique ont pour objectifs d'obtenir des valeurs de la contrainte de cisaillement critique de la glace atmosphérique en fonction de la température pour trois types de matériaux, soient, l'aluminium 6061-T6, l'aluminium gravé chimiquement et un revêtement hydrophobe, le Wearlon®, et de permettre la validation du modèle d'adhésion. Les valeurs de cisaillement critique sont obtenues en utilisant le Centrifuge Adhesion Test (CAT). Ces essais permettent également de vérifier l'impact de la température d'accrétion de la glace versus la température lors de l'essai de détachement. Deux séries d'essais ont donc été effectuées en chambre climatique. La première série utilise une accretion de la glace à une température de -8 °C alors que les essais de cisaillement sont effectués à différentes températures, soit, -5, -8, -10, -13, -15 et -20 °C. Pour la deuxième série d'essais, la température d'accrétion et les tests de cisaillement critique sont effectués à -5, -10, -13, -15, -20 et -25 °C. Les tests en soufflerie réfrigérée sont quant à eux effectués en utilisant le Spinning Rotor Blade (SRB). Contrairement aux tests avec le CAT, les essais avec le SRB nécessitent de connaître la contrainte en tension critique en cohésion de la glace. C'est pourquoi les essais avec la soufflerie réfrigérée sont effectués afin de comparer le modèle et non de le valider. Les accretions de glace sont effectuées à des températures de -5, -10,-15, -20 et -25 °C pour deux vitesses de rotation, soient, 3200 et 1600 RPM. Les substrats utilisés sont l'aluminium 6063-T6, l'aluminium gravé chimiquement et le Wearlon®. Les résultats obtenus pour les 99 essais de CAT montrent l'importance de la température d'accrétion de la glace versus celle de délestage. En utilisant les valeurs de la contrainte limite en cisaillement nécessaire au délestage du morceau de glace obtenue lors de ces essais ainsi que du temps de nucléation, il a été possible de valider le modèle d'adhésion de la glace sur un substrat pour des températures d'accrétion de la glace de -5 à -13 °C. Les essais ont également montré que la glace accrétée à -13 °C, dans les conditions expérimentales de la chambre climatique, donne la même valeur de contrainte en cisaillement pour la partie adhesive et cohesive. Pour les températures en dessous de -13 °C, la partie adhesive devient trop grande comparativement à celle cohesive et les ruptures deviennent alors seulement cohesives. Les résultats obtenus pour les 54 essais avec le SRB ont permis de comparer les prévisions du modèle sur un phénomène comportant plus de complexité et de variabilité que les essais en chambre climatique. Or, malgré cette très grande variabilité des résultats obtenue en soufflerie réfrigérée, le modèle d'adhésion permet d'obtenir une bonne prédiction de la contrainte limite en cisaillement pour les pales d'aluminium, d'aluminium gravé chimiquement et celle recouverte de Wearlon® pour des températures allant de -5 à -25 °C.

The 1xxx series of aluminum alloys are widely used for applications in which excellent formability and thermal and electrical conductivity are required such as heatexchanger tubing and coaxial cable sheathing. The demand for high productivity during processing leads to the requirement for an increase in hot workability to provide low flow stress with desirable final mechanical properties. Commercially, D.C cast billets are typically homogenized prior to extrusion or rolling to improve hot workability and mechanical properties. However, there is very limited prior work on the effectiveness of the homogenization treatment in 1xxx alloy production. Furthermore, no systematic investigation of the influence of different alloying elements (Fe, Si, Mn and Cu) on the hot deformation behavior of dilute Al-Fe-Si alloys is available in the literature. In the present study, the effect of different alloying elements as well as the homogenization treatment on the hot workability and microstructure of dilute Al-Fe-Si alloys was investigated using hot compression tests, optical microscopy, SEM, electron EBSD, TEM, electrical conductivity measurements. The effect of the homogenization treatment on the microstructure and hot workability of two dilute Al-Fe-Si alloys was first investigated. Homogenization promoted the phase transformation from the metastable AlmFe or α-AlFeSi phase to the Al3Fe equilibrium phase and induced a significant change in solute levels in the solid solution. Homogenization at 550°C significantly reduced the solid solution levels due to the elimination of the supersaturation originating from the cast ingot and produced the lowest flow stress under all of the deformation conditions studied. An increase in the homogenization temperature from 550 to 630°C increased the flow stress by 10 to 23% and 15 to 45% for the Al-0.3Fe-0.1Si and Al-0.3Fe-0.25Si alloys, respectively, over the range of deformation conditions examined. The hot deformation behavior of dilute Al-Fe-Si alloys containing different amounts of Fe (0.1 to 0.7 wt%) and Si (0.1 to 0.25 wt%) was studied by uniaxial compression tests conducted at various temperatures (350-550 °C) and strain rates (0.01-10 s-1). The flow stress of the 1xxx alloys increased with increasing Fe and Si content. Increasing the Fe content from 0.1 to 0.7% raised the flow stress by 11-32% in Al-Fe-0.1Si alloys, whereas the flow stress increased 5-14% when the Si content increased from 0.1 to 0.25% in Al-0.1Fe-Si alloys. The experimental stress-strain data were employed to drive constitutive equations correlating flow stress, deformation temperature and strain rate considering the influence of the chemical composition. The microstructural analysis results revealed that dynamic recovery is the sole softening mechanism during hot deformation of dilute Al-Fe-Si alloys. Increasing the Fe and Si content retarded dynamic recovery and resulted in a decrease in the subgrain size and mean misorientation angle of the boundaries. Furthermore, the hot deformation behavior of dilute Al-Fe-Si alloys containing various Mn (0.1 and 0.2 wt%) and Cu (0.05, 0.18 and 0.31 wt%) contents was also investigated. It was found that both manganese and copper in solid solution have a significant influence on the hot workability of dilute Al-Fe-Si alloys. On a wt% basis, Mn exhibits a stronger strengthening effect compared to Cu. The activation energies for deformation were calculated from experimental data for all the alloys investigated. With a 0.2 wt% Mn addition, the activation energy increased from 161 and 176 kJ/mol for low-Fe (0.1wt%) and high-Fe (0.5wt%) base alloys to 181 and 192 kJ/mol, respectively. The addition of Cu up to 0.31 wt% only slightly increased the activation energy of low-Fe base alloy from 161 to 166 kJ/mol. Solute diffusion acted as the deformation rate controlling mechanism in these dilute alloys. Mn containing alloys have higher flow stress and higher activation energy due to the considerably lower diffusion rate of Mn in aluminum compared to Cu containing alloys. An addition of Mn and Cu also retarded the dynamic recovery and resulted in a decrease in the subgrain size and mean misorientation angle of the grain boundaries. In addition, based on hot compression tests, an artificial neural network model was developed to predict the high temperature flow behavior of Al-0.12Fe-0.1Si-Cu alloys as a function of chemical composition (with Cu contents of 0.002-0.31wt%) and process parameters. A three-layer feed-forward back-propagation artificial neural network with 20 neurons in a hidden layer was established in this study to predict the flow behavior of Al-0.12Fe-0.1Si alloy with various levels of Cu addition (0.002-0.31wt%) at different deformation conditions. The input parameters were Cu content, temperature, strain rate and strain, while the flow stress was the output. The performance of the proposed model was evaluated using various standard statistical parameters. An excellent agreement between experimental and predicted results was obtained. Sensitivity analysis indicated that the strain rate is the most important parameter, while the Cu content exhibited a modest but significant influence on the flow stress. The ANN model proposed in this study can accurately predict the hot deformation behavior of Al-0.12Fe-0.1Si alloys. Les séries 1xxx des alliages d'aluminium sont largement utilisées pour des applications où une excellente aptitude au formage et de la conductivité thermique et électrique sont nécessaires, tels que les tubes d'échangeur de chaleur et les câbles coaxiaux de revêtement. La demande pour une productivité élevée pendant le traitement conduit à une augmentation de l'aptitude au formage à chaud pour fournir une contrainte d'écoulement faible avec les propriétés mécaniques finales souhaitées. Commercialement, les billettes coulées sont généralement homogénéisés avant l'extrusion ou le laminage à chaud, afin d'améliorer leur fluidité et leurs propriétés mécaniques. Cependant, les travaux de recherche antérieurs restent limités au sujet de l'efficacité du traitement d'homogénéisation dans la production des alliages 1xxx. De plus, aucune étude systématique de l'influence des différents éléments d'alliage (Fe, Si, Mn et Cu) sur le comportement de déformation à chaud des alliages diluées Al-Fe-Si est disponible dans la littérature. Dans la présente étude, l'effet des différents éléments d'alliage ainsi que le traitement d'homogénéisation sur le formage à chaud et la microstructure des alliages dilués Al-Fe-Si ont été étudiés en utilisant des tests de compression à chaud, la microscopie optique, SEM, EBSD, TEM, ainsi que les mesures de conductivité électrique. L'effet du traitement d'homogénéisation sur la microstructure et le formage à chaud de deux alliages diluées Al-Fe-Si a été étudiée. L'homogénéisation a favorisé la transformation de phase à partir de la phase métastable AlmFe ou -AlFeSi vers la phase d'équilibre Al3Fe, et induit un changement significatif des concentrations de soluté dans la solution solide. L'homogénéisation à 550 ° C a significativement réduit les niveaux de solution solide en raison de l'élimination de la sursaturation en provenance du lingot coulé et a produit une contrainte d'écoulement plus basse sous toutes les conditions de déformation étudiées. Une augmentation de la température d'homogénéisation de 550 à 630 ° C augmente la contrainte d'écoulement de 10 à 23% et de 15 à 45% pour les alliages Al-0.3Fe-0.1Si et Al-0.3Fe-0.25Si, respectivement, dans la plage des conditions de déformation examinées. Le comportement à la déformation à chaud des alliages diluées Al-Fe-Si contenant diverses quantités de Fe (0,1 à 0,7% en poids) et Si (0,1 à 0,25% en poids) a été étudié par des tests de compression uniaxiale réalisés à différentes températures (350-550 °C) et des vitesses de déformation (de 0,01 à 10 s-1). La contrainte d'écoulement des alliages 1xxx augmente avec l'augmentation de la teneur en Fe et Si. L'augmentation de la teneur en Fe de 0,1 à 0,7% a augmenté la contrainte d'écoulement de 11 à 32% dans les alliages Al-Fe-0.1Si, tandis que la contrainte d'écoulement a augmenté de 5 à 14% lorsque la teneur en Si est portée de 0,1 à 0,25% dans les alliages Al-0,1 Fe-Si. Les données de contrainte-déformation expérimentales ont été utilisées pour dériver les équations constitutives en corrélation entre la contrainte d'écoulement, la température de déformation et la vitesse de déformation, compte tenu de l'influence de la composition chimique. Les résultats de l'analyse de la microstructure a révélé que le recouvrement dynamique est le seul mécanisme de ramollissement lors de la déformation à chaud des alliages diluées Al-Fe-Si. L'augmentation de la teneur en Fe et Si a retardé le recouvrement dynamique et a entraîné une diminution de la taille des sous-grains et de la désorientation des joints des grains. En outre, le comportement en déformation à chaud des alliages dilués Al-Fe-Si contenant diverses teneurs en Mn (0,1 et 0,2% en poids) et en Cu (0,05, 0,18 et 0,31% en poids) a également été étudié. Il a été constaté que le manganèse et le cuivre en solution solide ont une influence significative sur le formage à chaud des alliages dilués Al-Fe-Si. Sur une base de pourcentage massique, le Mn présente un effet de renforcement plus fort par rapport au Cu. Les énergies d'activation pour la déformation ont été calculés à partir de données expérimentales pour tous les alliages étudiés. Avec l’ajout de 0,2% en pourcentage massique de Mn, l'énergie d'activation augmente de 161 et 176 kJ / mol, à faible Fe (0,1% en pourcentage massique) et de haut Fe (0,5% en pourcentage massique) Les alliages à base de 181 et 192 kJ / mol, respectivement. L'addition de Cu jusqu'à 0,31% en pourcentage massique n'a que légèrement augmenté l'énergie d'activation de faible alliage à base de Fe de 161 à 166 kJ / mol. La diffusion du soluté a agi en tant que mécanisme de contrôle des taux de déformation dans ces alliages dilués. Les alliages contenant du Mn ont une contrainte d'écoulement plus élevée et une énergie d'activation plus élevée en raison de la vitesse de diffusion considérablement plus faible dans l’aluminium de Mn par rapport aux alliages contenant du cuivre. Une addition de Mn et Cu a aussi retardé le recouvrement dynamique et a généré une diminution de la taille des sous-grains et une désorientation des joints de grains. En outre, sur la base des données expérimentales des essais de compression à chaud, un modèle base sur les réseaux de neurones artificiels a été développé pour prédire le comportement en écoulement à haute température de l'alliages Al-0.12Fe-0.1Si-Cu en fonction de la composition chimique (avec différentes teneurs en Cu de 0.002-0.31 en pourcentage massique) et les paramètres de procédé. Un réseau de neurones de type backpropagation à trois couches avec 20 neurones dans la couche cachée a été établi dans cette étude pour prédire le comportement de l'écoulement de l'alliage Al-0.12Fe-0.1Si avec différents niveaux de Cu (0.002-0.31 en pourcentage massique) à différentes conditions de déformation. Les paramètres d'entrée étaient la teneur en Cu, la température, la vitesse de déformation et la contrainte, tandis que la contrainte d'écoulement constitue la sortie. La performance du modèle proposé a été évaluée à l'aide des différents paramètres statistiques classiques. Un excellent accord entre les résultats expérimentaux et prédits a été obtenu. L'analyse de sensibilité a indiqué que le taux de déformation est le paramètre le plus important, tandis que la teneur en Cu présentait une influence modeste mais significatif sur la contrainte d'écoulement. Le modèle ANN proposé dans cette étude peut prédire avec précision le comportement de déformation à chaud des alliages Al-0.12Fe-0.1Si.

Ce mémoire porte sur l'étude du comportement statique et dynamique d'un prototype de remorque à pleine échelle. À des fins de comparaisons ainsi qu'afin de prévoir les résultats attendus, un modèle analytique 2D à 9 degrés de liberté et un autre 3D à 16 degrés de liberté sont développés. Un simulateur est programmé à l'aide de Matlab/SIMULINK puis excité par un profil de piste développé par PSD (Power Spectral Density) et représentant les irrégularités du tablier d'une route secondaire. Le prototype est instrumenté par des jauges de déformations ainsi que par des modules IMU (Inertia Measurement Unit). Ces instruments permettent de connaître l'état des contraintes dans les parties critiques de la structure ainsi que de déterminer l'impact des effets de la dynamique sur la remorque. La validation du nouveau concept de structure est donc effectuée par la réalisation d'essais de chargements, d'essais STEP et d'essais routiers. Ces essais, suffisants et nécessaires, ont permis de fournir au constructeur des recommandations en vue de la construction d'un second prototype qui sera mis en fonction.