Aluminum production using the Hall-Héroult process requires an intensive electric current. With an increasing demand for aluminum due to the growth in use of raw materials such as aluminum, and economic developments, aluminum producers are striving to reduce their production costs to remain competitive in a difficult market. One way of doing this is to reduce the voltage drop in the Hall-Héroult cells, which yields a remarkable amount of savings in the long term from only a slight optimization. For this reason, a thorough understanding of the phenomena taking place during operation is necessary. In this research work, anode assembly as one of the major components of the Hall- Héroult cell was modeled using APDL (ANSYS® Parametric Design Language). The newly presented features of the full anode assembly model, which make it a robust one in terms of geometrical modeling, were introduced in detail. A submodel was extracted from the fall model to carry out primary numerical simulations to investigate the Thermo- Electro-Mechanical (TEM) phenomena taking place in the stub hole region to where up to 25% of the total voltage drop in the anode assembly, caused by contact resistance at the interfaces, is attributed. Special attention was paid to the good prediction of contact conditions at the cast iron to carbon interface. In comparison to previous research work, a more thorough and precise approach was taken to employ equations used to predict the initial air gap at the cast iron to carbon interface, which has an influential role in controlling contact particularly at lower temperatures (400°-600°). In order to calibrate the model, experimental tests, performed by the Arvida Research and Development Centre (ARDC) at Rio Tinto Alcan (RTA), were utilized. FESh++ was used to calibrate the fally coupled TEM model using the results obtained by RTA; subsequently, sensitivity analysis (SA) was performed to investigate the influences of changes in material properties and cast iron/carbon interface characteristics. Also, one study on the geometrical sensitivity, namely, SA on the change in the diameter of the stub, was fulfilled. After detailed discussions using the various simulation results as well as statistical data obtained from the newly implemented feature in FESh++, conclusions were drawn as to the importance of precise prediction of the initial air gap, contact establishment and condition at the interface, essentiality of the carbon constitutive law, significance of phase change of cast iron, temperature dependency of some materials and anisotropy of electrical resistance of carbon, etc. Finally, suggestions were proposed for future research work and developments such as: considering a better constitutive law for carbon, taking account of creep in cast iron, evaluation of the initial air gap distribution through simulation of cast iron solidification, etc. - La production de l'aluminium primaire via le procédé hall-Héroult nécessite l'utilisation d'un courant de très forte intensité. Conséquent d'une demande croissante de l'aluminium et du coût élevé des matières premières nécessaires à la production du métal gris, il devient prioritaire pour les producteurs d'aluminium d'assurer un meilleur contrôle du procédé et ce, afin de réduire les coûts de production et ainsi, demeurer compétitif à l'échelle mondiale. Une façon d'atteindre cet objectif consiste à identifier les zones les plus résistives électriquement dans la cellule d'électrolyse et de réduire, lorsque possible, ces résistances, afin de minimiser sa consommation énergétique. Dans cette optique, une compréhension approfondie des phénomènes qui prennent place pendant l'opération ainsi que leurs interactions demeurent de toute première importance est essentiel. Dans le cadre de ce travail, on s'attarde plus précisément à l'étude des chutes de voltage dans les assembles anodiques, constituante hautement résistive de la cellule d'électrolyse. L'assemblage anodique est modélisé sous ANSYS à l'aide du langage APDL® (ANSYS Parametric Design Language), un langage de programmation utilisé dans le logiciel de simulation ANSYS. Ce langage est également utilisable dans le volet Mechanical du logiciel ANSYS Workbench. Totalement paramétré, le modèle géométrique peut être transformé afin de peraiettre l'étude spécifique de diverses composantes selon certaines hypothèses simplificatrices. En particulier, un sous-modèle a été extrait du modèle afin de réaliser des simulations numériques dans la zone du tourillon et ce, afin d'étudier les phénomènes Thermo-électro-mécaniques (TEM) prenant place dans cette zone critique de l'assemblage où près de 25% de la chute de voltage anodique se produit; chute de voltage attribuable à la résistance de contact électrique à l'interface fonte/carbone. Une attention particulière a été portée sur la bonne représentation des conditions de contact TEM à cette interface. En particulier, une extension de la méthode simplifiée proposée par Richard a été utilisée afin de quantifier l'espace d'air initial à l'interface fonte/carbone; élément crucial dans le comportement de l'assemblage anodique et qui a un rôle déterminant dans l'évolution des conditions de contact, particulièrement à basses températures (400°C - 600°C). L'ensemble des simulations numériques a été réalisé à l'aide d'une application spécifique développée dans l'environnement FESh++ via une approche fortement couplée des champs de voltage, température et déplacement en régime établi. La calibration du modèle a été réalisée à l'aide de résultats issus d'essais expérimentaux réalisés au Centre de Recherche et de Développement Arvida (CRDA) de Rio Tinto Alcan (RTA). Par la suite, une étude de sensibilité a été conduite afin d'étudier l'impact de certaines modifications matérielles et/ou géométriques sur le comportement de l'assemblage anodique. Plus spécifiquement il apparait clairement que les congés du tourillon, la température nominale du rondin au moment du scellement ainsi que le changement de phase de l'acier et de la fonte ont un impact majeur sur la chute de voltage. Finalement, les recommandations proposées permettront d'améliorer la performance des assemblages anodiques et d'orienter les travaux futurs dans ce domaine de recherche. On pense ici à l'utilisation d'une loi de comportement représentative pour le carbone (comportement quasi-fragile), à la prise en compte du comportement en fluage de l'acier du rondin et de la fonte de scellement ainsi qu'à la prédiction par simulation numérique de l'étape de scellement afin d'obtenir une représentation plus précise de l'espace d'air à l'interface fonte/carbone.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour objet l'étude expérimentale de la cinétique de dissolution de l'alumine au niveau de la première phase de l'injection. Ils permettront de mieux comprendre le comportement qu'adopte l'alumine lors de son injection dans les cuves d'électrolyse industrielles pour la production de l'aluminium. La complexité du phénomène étudié fait en sorte qu'il est nécessaire de reproduire expérimentalement les différentes étapes qui prennent place lors du processus de dissolution. Le montage expérimental en question est conçu pour faire fondre une quantité importante de cryolithe afin d'observer via des fenêtres intégrées le comportement de l'alumine injectée. L'environnement corrosif que génère la cryolithe en phase liquide et l'énergie nécessaire pour atteindre une telle température nécessite un montage à la fois extrêmement complexe et sécuritaire. Quelques montages servant à l'étude de la dissolution de l'alumine dans le procédé Hall-Héroult ont été réalisés antérieurement et le montage présenté dans ce projet en est inspiré. Cependant, ce montage est sans doute ce qu'il y a de plus représentatif du procédé industriel en laboratoire en ce qui attrait à l'injection et la dissolution de l'alumine dans la cryolithe liquide. La visualisation d'une telle quantité de cryolithe et son interaction avec l'alumine injectée est, à elle seule, une percée significative dans le domaine. À cela s'ajoute la possibilité de suivre la concentration de l'alumine par la combinaison de deux différentes méthodes. Le suivi de l'évolution de la concentration d'alumine à l'intérieur du bain est réalisé par une prise d'échantillons de bain pendant la phase de dissolution. Les échantillons sont extraits par un robot automatisé réalisé dans le cadre du projet. L'autre méthode du suivi de la concentration de l'alumine est décrite dans ce document, soit la voltamétrie à balayage linéaire. Cette dernière, bien qu'adaptée au montage, n'a pas été intégrée de façon opérationnelle à ce jour. Les résultats obtenus serviront à une étude plus poussée sur les différents comportements et phénomènes présents lors de la cinétique de dissolution de l'alumine.

Les oscillations de l'interface bain-métal nuisent au rendement des cuves d'électrolyse. Une étude appuyée par des mesures expérimentales est nécessaire pour comprendre leur nature. Nous présentons une méthode, fondée sur la lecture des courants anodiques et de la tension de la cuve, pour déduire les oscillations de l'interface bain-métal. Nous proposons un modèle simple de résistances électriques permettant d'obtenir l'information désirée. Pour nous assurer de la validité de nos résultats, nous vérifions, à l'aide d'une sonde électrique, que les variations du courant anodique sont effectivement reliées aux oscillations de l'interface. D'autres travaux avec les logiciels ANSYS et NETWORK nous permettent de justifier certaines approximations qui sous-tendent le modèle de résistances. Les résultats obtenus font apparaître trois familles d'oscillation. De plus, ils confirment des prédictions théoriques provenant d'un modèle mathématique proposé par Urata (1985).

La galvanisation des tôles d'acier est un procédé où l'écoulement ainsi que le transport de l'aluminium dans le bain de zinc liquide peuvent affecter la formation de la couche inhibitrice. Une revue de la littérature sur les travaux effectués pour comprendre l'écoulement et le transport de l'aluminium dans le bain a été effectuée. La complexité de l'écoulement dans le bain a été démontrée par des travaux antérieurs qui ont été fait en utilisant majoritairement la visualisation de l'écoulement à l'aide de modèles à eau et la modélisation numérique par éléments finis. Le présent projet consiste à compléter la compréhension de l'écoulement dans la cuve de galvanisation en utilisant trois outils spécifiques soit, la modélisation numérique, la modélisation physique et des tests industriels. Chacun des essais et calculs effectués à l'aide de ces trois méthodes a permis de valider le modèle numérique, de mieux détailler l'effet de certains paramètres sur l'écoulement et aussi de voir l'effet d'additions et de changements de température dans un bain industriel. L'étude de l'écoulement du bain de galvanisation a été effectuée à l'aide d'un modèle à eau et d'un modèle numérique. Le modèle à eau a servi à visualiser l'écoulement dans la cuve à l'aide d'un faisceau et de fluorescéine comme traceur. De nombreux plans ont été enregistrés sur cassette vidéo. L'observation de l'écoulement montre que la présence ou l'absence des rouleaux affecte l'écoulement, particulièrement pour les temps de mélange de la cuve. De la même façon, la présence d'une plaque déflectrice modifie les temps de mélange et agit comme une section de prémélange. L'angle d'inclinaison de la courroie modifie aussi l'écoulement en agrandissant la zone morte de l'arrière. Les observations ont aussi montré que l'écoulement est parfois asymétrique. La visualisation de l'effet de la présence des couteaux à air sur l'écoulement dans le bain a permis de conclure que ceux-ci ne contribuaient pas de manière significative au mélange. Il est donc inutile d'ajouter leur présence au modèle numérique. Les mesures de vitesse dans le bain à eau montrent un profil d'écoulement semblable à celui calculé dans le modèle numérique. La principale différence réside dans l'amortissement que subit la grandeur de la vitesse lorsqu'on s'éloigne des zones de grandes perturbations, soit près des rouleaux et de la feuille. Un maillage plus raffiné ainsi qu'un modèle de turbulence qui épouse mieux l'écoulement sont à suggérer pour les modifications ultérieures. Les calculs de turbulence ont montré que l'écoulement est beaucoup plus turbulent près de la feuille et des rouleaux que dans le reste du bain. De plus, au centre du bain l'écoulement est plus turbulent qu'au bas du bain. La modélisation numérique de l'ajout d'inducteurs montre que ceux-ci peuvent affecter seulement de façon très légère l'écoulement à l'arrière du bain. Il est suggéré d'inclure l'effet thermique au modèle pour vérifier si cet effet reste négligeable. Les tests industriels ont permis de confirmer que la température affecte la teneur en aluminium du bain et la formation des intermétalliques. Les mesures de l'aluminium effectif ont permis de voir que la région arrière du bain est très peu agitée et que celle de l'avant l'est plus. Finalement, l'ensemble de cette étude permet de conclure que la modélisation numérique de l'écoulement dans une cuve de galvanisation, à l'aide de la méthode des éléments finis, peut être utilisée et qu'elle est représentative de l'écoulement rencontré en pratique.

La place que prend l'aluminium sur le marché des métaux est de plus en plus importante en raison de ses différentes qualités comme sa légèreté et ses bonnes propriétés mécaniques. Ceci est particulièrement vrai dans le domaine de l'automobile où il remplace de plus en plus l'acier. Cette industrie utilise souvent le forgeage comme méthode de mise en forme pour obtenir un maximum de résistance et de fiabilité des pièces faites d'aluminium. Ces pièces ont l'avantage d'être légères, solides et résistantes à la corrosion mais ont l'inconvénient d'être plus coûteuses à réaliser. Dans le cas de la fabrication de bras de suspension forgés à chaud, quatre étapes principales permettent de passer de l'aluminium liquide au produit fini. La première étape est la coulée en direct chill (D.C.) de billettes de haute qualité ayant de petits diamètres (50 - 100mm). La deuxième consiste en un traitement d'homogénéisation qui a pour but de rendre les billettes telles que coulées aptes au forgeage en les portant à des températures légèrement sous le point de fusion de l'alliage. Après un refroidissement contrôlé, les billettes sont coupées en lopins qui sont ensuite entreposés. Lors de la troisième étape, les lopins sont préchauffés et maintenus une seconde fois à haute température. Finalement, à la quatrième étape, ils sont transférés vers une presse mécanique de forgeage à chaud et y sont forgés. Une façon d'optimiser ce procédé est de réduire le nombre d'étapes de fabrication. Ici, les températures atteintes lors des étapes d'homogénéisation et de préchauffe sont similaires. La préchauffe pourrait donc possiblement être utilisée comme traitement d'homogénéisation, éliminant la nécessité d'un traitement séparé. Pour ce faire, la préchauffe doit remplir les mêmes fonctions que rhomogénéisation, soit diminuer suffisamment la présence de ségrégation d'éléments d'alliage ainsi que de phases à bas point de fusion et transformer les intermétalliques de fer (3-AlFeSi indésirables en a-Al(FeMn)Si moins dommageables. Une diminution adéquate de la microségrégation, de la quantité de phase à bas point de fusion et de phase (3-AlFeSi permet d'éviter plusieurs problèmes potentiels lors du forgeage : fissuration, bande d'échauffement adiabatique, liquation de certaines phases, etc. Les bénéfices visés par préchauffe seule devront s'obtenir après un temps de maintien minimum raisonnable qui est déterminé, entre autres, par les phases présentes, les éléments d'alliages utilisés ainsi que leur quantité. Le but de l'étude est de vérifier l'équivalence entre des échantillons tels que coulés ayant eu une homogénéisation formelle suivi d'une préchauffe avant forgeage avec d'autres seulement préchauffés. Les échantillons seront soumis à différents profils de préchauffe avec des temps de maintien variant de 10 à 240 minutes à des températures se situant entre 450 et 565°C. L'équivalence de traitement est évaluée en fonction de quatre critères de comparaison, soit l'avancement de la transformation p -> a, le niveau de microségrégation présent dans l'espace interdendritique, la température de première fusion de l'alliage et finalement la réponse en forgeage libre. Chaque test nécessite une méthode d'investigation appropriée comme la microscopic optique, la microscopic électronique à balayage, la calorimétrie et l'essai de compression uniaxial à chaud. Les tests ont révélé que, pour l'alliage AA6061 (Al-Mg-Si) à l'étude, certaines conditions de préchauffe pouvaient effectivement remplacer le traitement d'homogénéisation. Ils démontrent qu'un niveau adéquat de microségrégation est rapidement atteint et qu'une transformation suffisante ou complète de la phase (3-AlFeSi en ot-Al(Fe,Mn)Si s'effectue dans des temps raisonnables inférieurs à 120 min pour toutes les températures testées. Les contraintes d'écoulement du matériel coulé - préchauffé sont toutefois légèrement supérieur à celles d'un matériau ayant été homogénéisé. Au final, les résultats ont permis la construction de cartes de procédé, indiquant le degré atteint d'homogénéisation du matériau tel que coulé après préchauffe selon différents critères. Une carte résumé donne l'estimation de la forgeabilité du matériel tel que coulé vs homogénéisé selon différentes conditions de préchauffe.

L'industrie de l'aluminium utilise le coke de pétrole vert pour la fabrication d'électrodes et le coke doit être calciné dans les fours rotatifs. Pendant le processus de calcination certains phénomènes physiques importants interviennent, tels le dégagement de matières volatiles, la génération de poussières de coke, la combustion des matières volatiles et des poussières. La qualité du coke produit dépend fortement du taux de chauffage, de la température maximale et du refroidissement. Un four de calcination est un échangeur à contre-courant. Le coke se déplace dans le four sous l'effet combiné de la rotation et de l'inclinaison. L'air nécessaire à la combustion s'écoule dans le sens opposé du coke et est fourni par quatre tuyères localisées en amont de la zone de combustion. L'énergie nécessaire à la calcination du coke de pétrole provient presque en totalité de la combustion partielle des matières volatiles libérées à la surface du lit de coke. Les matières volatiles commencent à se dégager lorsque la température du coke atteint environ 500°C. Seulement environ un tiers des matières volatiles réagissent, le reste est récupéré pour la combustion dans des bouilloires. Soulignons la présence de trois espèces chimiques constituant les matières volatiles, soit l'hydrogène, le méthane et le goudron. Ainsi le transfert de chaleur qui contrôle principalement le processus de calcination dépend fortement de la combustion. En opération normale un four rotatif est autosuffisant du point de vue énergétique. Un modèle en trois dimensions en régime transitoire d'un four rotatif est disponible. Il prend en compte les phénomènes physiques de base intervenant dans le transfert de chaleur, tels les écoulements du gaz et du coke, le rayonnement et la combustion représentée par l'imposition d'une source d'énergie. Toutefois il faut améliorer le modèle de combustion, vu sa grande influence sur les résultats obtenus. Dans un four de calcination, la combustion est contrôlée principalement par la diffusion provenant de l'écoulement turbulent. Cependant chaque matière volatile a une vitesse de réaction distincte et se dégage à des endroits différents, ainsi il est important de considérer l'aspect cinétique dans la combustion. Une approche est envisagée pour tenir compte à la fois des effets de la diffusion et de la cinétique dans un même modèle. La combustion des particules de coke transportées par le gaz est une source d'énergie non négligeable. Il est proposé de traiter les particules dans le gaz comme une espèce chimique, c'est-à-dire en considérant celles-ci comme une concentration de particules. Ainsi il est posé une équation de conservation de la même forme que celle formulée pour chaque matière volatile. L'ensemble des équations aux dérivées partielles obtenues est solutionné par la méthode des volumes finis utilisant le logiciel PHOENICS de CHAM(UK). Une simulation numérique a été faite à l'aide du nouveau modèle de combustion et certaines fractions massiques sont comparées avec des mesures prises lors d'une campagne de mesures effectuée en usine [1].

L'intérêt des composites à matrice métallique d'aluminium est généralement de profiter de la ductilité de la matrice et de sa faible densité et de les combiner à la dureté du renfort afin d'obtenir un matériau léger et avec une limite d'élasticité supérieure tout en étant d'une certaine ductilité. Le composite à matrice métallique AI-B4C possède en plus la capacité d'agir comme bouclier contre les neutrons, grâce aux isotopes B10 contenus naturellement dans le B4C, ce qui en fait un matériau de choix pour la fabrication de contenants pour les déchets de l'industrie nucléaire. Ce composite est fabriqué par la compagnie Alcan par un procédé de coulée où les particules de B4C sont incorporées dans l'aluminium liquide par une forte agitation mécanique. La problématique de ce procédé est qu'une réaction se produit entre l'aluminium et le carbure de bore, ce qui réduit de façon considérable la fluidité du composite, rendant ainsi difficile sa coulée. Pour limiter cette réaction, du titane est ajouté à l'aluminium, celui-ci formant une couche protectrice à la surface des particules de B4C. Ce projet a pour objectif de comprendre et de quantifier l'influence du titane sur la réaction interfaciale entre l'aluminium et le carbure de bore ainsi que sur la fluidité de ce composite. D'abord, des expériences avec des plaques de B4C immergées dans l'aluminium liquide ont été effectuées mais n'ont pas donné les résultats escomptés, obtenant des produits de réaction de nature différente de ceux normalement retrouvés dans le composite. Avec un second montage, il a été possible de mesurer la fluidité du composite AI-B4C sur une période de maintien d'environ 120 minutes en fonction de diverses teneurs en titane (0, 0,5, 0,75, 1,0,1,5, 2,0 et 3,0 % Ti), avec la présence de magnésium (0,5% Mg) dans certains cas et en fonction de la température de maintien (700, 750 et 800 °C). Les tiges de fluidité obtenues ont permis de quantifier l'évolution de la microstructure, soit l'évolution de la fraction volumique du B4C, de AIB2 et des phases grises (AI3BC et TiB?), avec l'aide d'un système d'analyse d'images installé sur un microscope optique. Un microscope électronique à balayage ainsi qu'une microsonde furent aussi utilisés pour caractériser la microstructure. Une caméra haute vitesse a aussi permis de filmer l'écoulement du composite dans les tubes de verre lors des mesures de fluidité pour les essais avec 0,5, 0,75, 1,0, 1,5 et 2,0 % Ti et maintenus à 750 °C. Il fut possible d'obtenir de ces observations la vitesse du bout de l'écoulement lors de son déplacement ainsi que les valeurs de vies de fluidité, nécessaires pour calculer la fraction critique de solide menant à l'arrêt de l'écoulement. Un modèle de fluidité développé pour les alliages d'aluminium riches en éléments d'alliage a été adapté au composite AI-B4C et celui-ci permet de reproduire les mesures de fluidité obtenues. L'observation de la macrostructure a confirmé que le mode de solidification du composite AI-B4C était similaire à celui des alliages d'aluminium riches en éléments d'alliage.

Les alliages d'aluminium sont de plus en plus utilisés dans les domaines de l'ingénierie. En effet, leurs excellentes propriétés mécaniques, ainsi que leur faible densité en font des alliages de hautes performances. L'assemblage des alliages d'aluminium par soudage n'est cependant pas aussi facile que pour le cas de l'acier et demande de plus grandes précautions. Ces difficultés sont grandement causées par les propriétés physiques et thermiques des alliages à base d'aluminium. Minimiser l'apport de chaleur aux pièces à souder peut, dans certains cas aider à surmonter ces difficultés. Le soudage par procédé hybride laser-GMAW est un procédé à haute densité énergétique, ce qui permet de diminuer la chaleur introduite à la pièce. Cependant, dans le cadre d'essais effectués au Centre des technologies de l'aluminium du conseil national de recherches du Canada, sur l'alliage d'aluminium AA6061-T6, un problème de fissuration à chaud a été observé lorsque de grandes vitesses de soudage sont utilisées. Ces essais ont été réalisés en configuration cordon sur plaque avec un métal de base de nuance AA6061, ainsi qu'un matériau d'apport de type AA4043. La fissuration à chaud est occasionnée par le changement dimensionnel des métaux avec la température ainsi que par le bridage empêchant cette modification volumique. Le présent projet ne vise que l'étude de la partie métallurgique de la fissuration à chaud. Plusieurs essais ont été réalisés à l'aide de plans d'expériences afin de cibler l'influence des éléments d'alliages ainsi que celle de la microstructure, sur la fissuration à chaud des soudures. Chaque cordon de soudure a été observé à faible grossissement optique afin de déterminer le degré de sévérité de la fissuration à chaud. Par la suite une coupe transversale de chaque cordon a été effectuée afin de caractériser la géométrie ainsi que la composition chimique. Une analyse en profondeur à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB) a par la suite été produite sur certains échantillons. Ces essais ont permis de démontrer que la vitesse de soudage avait une influence certaine sur le phénomène de fissuration de solidification. De plus, la composition chimique de l'alliage peut sérieusement affecter le degré de sensibilité à la fissuration à chaud. Des résultats ont démontré que le ratio fer/silicium peut avoir une grande influence sur le phénomène de fissuration à chaud. En effet, certains composés intermétalliques pourraient causer la fissuration de solidification lors du soudage hybride laser-GMAW.

Depuis quelques années, les recherches qui portent sur les procédés de mise en forme par voie semi-solide ne cessent d'augmenter. Cette popularité s'explique par les nombreux avantages que procure ce type de moulage par rapport au moulage traditionnel en phase liquide. Le procédé SEED (Swirled Enthalpy Equilibration Device) est une méthode de mise en forme de l'aluminium semi-solide actuellement développée par Alcan International Limited et le Centre des technologies de l'aluminium. Ce procédé utilise la masse thermique d'un creuset pour absorber une quantité définie de chaleur d'un lopin pour qu'il atteigne la température et la fraction solide voulues. L'avantage principal du procédé SEED est qu'il ne requiert pas de contrôle de températures sophistiqué. Le transfert de chaleur peut être aisément contrôlé par la masse et le matériau du creuset. L'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette maîtrise concerne l'évolution de la fraction solide en fonction de la température dans les lopins semi-solides produits par le procédé SEED. Comme les lopins sont destinés au moulage sous pression, il est essentiel de bien connaître les propriétés d'écoulement de la pâte pour obtenir des pièces ayant de bonnes propriétés mécaniques. Or, les propriétés rhéologiques de la pâte dépendent fortement de la fraction solide, d'où l'intérêt de la caractériser. Deux modèles théoriques sont fréquemment utilisés pour connaître la fraction solide en fonction de la température, soit le modèle de Scheil et celui de solidification à l'équilibre. Par contre, ces modèles demeurent des approximations et il est impossible de dire jusqu'à quel point l'évolution de la fraction solide dans les lopins semi-solides produits par le procédé SEED concorde avec ces modèles. Pour caractériser l'évolution de la fraction solide de l'aluminium, quatre approches ont été utilisées. Le logiciel Thermo-Cale a d'abord été utilisé pour tracer l'évolution de Penthalpie et de la fraction solide pour un alliage d'aluminium A356 en utilisant les modèles de Scheil et de solidification à l'équilibre. Ensuite, Dictra a été utilisé pour tracer les mêmes courbes, mais cette fois en imposant un taux de refroidissement et en basant les calculs sur la vitesse de diffusion des atomes dans l'alliage. Les résultats de ses calculs ont permis d'obtenir les courbes théoriques d'enthalpie et de fraction solide prédites par les modèles. Deux types de calorimètre ont été utilisés. D'abord, un calorimètre à pression constante a été fabriqué pour connaître la quantité de chaleur contenue dans un lopin. Ensuite, un calorimètre à balayage différentiel a été utilisé pour mesurer l'évolution de l'énergie lors de la réaction de solidification d'une petite masse d'aluminium. Ces mesures ont ensuite permis de connaître la fraction solide pendant la réaction. Les résultats obtenus concordent bien avec les prédictions fournies par le logiciel Thermo-Cale. Une première méthode expérimentale directement appliquée au procédé SEED a ensuite été employée. Cette démarche consiste à prélever des échantillons de pâte semisolide à différents moments lors d'un cycle de production des lopins et à les refroidir très rapidement afin de figer la microstructure. Différentes méthodes d'échantillonnage ont été testées afin d'identifier la démarche la plus efficace et celle permettant la solidification la plus rapide. Plusieurs obstacles ont été rencontrés et il a été très difficile d'obtenir des échantillons représentatifs de la pâte. L'étude de la microstructure par analyse d'image des échantillons permet normalement de quantifier la fraction solide. Il s'est par contre avéré très difficile de distinguer la phase primaire qui s'est solidifiée en cours de procédé de la partie liquide qui s'est solidifiée pendant la trempe. La principale raison qui explique les difficultés rencontrées est associée à la morphologie et la taille des particules solides qui, dû à un manque de temps de maintien dans la région semi-solide, n'ont pas eu le temps d'évoluer en forme de globules et de grossir suffisamment pour se distinguer facilement de la phase secondaire solidifiée pendant la trempe. La fraction solide de la pâte n'a donc pas pu être quantifiée par cette méthode. L'analyse thermique a finalement permis de connaître l'évolution de la fraction solide de la pâte produite par le procédé SEED. Des mesures de températures provenant de thermocouples insérés dans l'aluminium semi-solide et à la surface du creuset lors de la solidification des lopins ont d'abord été prises. Ensuite, un bilan énergétique a permis de connaître l'évolution de l'enthalpie du système. Finalement, la fraction solide a pu être déterminée en faisant l'hypothèse que la fraction solidifiée est proportionnelle à la fraction d'énergie dégagée. Il est important de souligner qu'habituellement l'analyse thermique utilise le concept de courbe de base pour isoler l'énergie de la réaction de solidification. L'analyse thermique développée dans le cadre de ces travaux utilise une approche complètement nouvelle qui s'affranchit de l'utilisation de la courbe de base. Les résultats obtenus par analyse thermique ont permis de constater que l'évolution de la fraction solide concorde avec les prédictions du modèle de Scheil. Finalement, une démarche permettant de prédire la fraction solide après le drainage dans le procédé SEED a été développée. Suite aux résultats obtenus par analyse thermique, il est possible d'utiliser la relation de Scheil pour prédire la fraction solide des lopins produits par le procédé SEED avant le drainage. Par ailleurs, la période de drainage est plus complexe et rien ne permet d'affirmer que la relation de Scheil s'applique toujours. Pendant le drainage, trois facteurs contribuent à faire augmenter la fraction solide, soit la masse drainée, la diminution de la température et la modification de la composition du lopin. Deux cas limites théoriques basés sur des hypothèses différentes ont été étudiés pour calculer l'intervalle dans lequel la fraction solide finale de la pâte se trouve.

Le traitement du métal semi-solide, MSS, fait référence a des gelées semi-solides contenant des particules non dendritiques qui sont dispersées dans une matrice liquide, le tout ayant une viscosité apparente voisine de celle du liquide. Cette masse peut s'écouler facilement sous pression et remplir les cavités complexes d'un moule pour fabriquer des produits de qualité et de haute-intégrité. La gelée de MSS peut être préparée par différentes méthodes. Dans la présente étude la coulée conventionnelle et la procédure SEED ont été utilisées pour produire des billettes de MSS avec différentes morphologies de la phase primaire a-Al dans l'alliage Al-Si A356. Pour la coulée conventionnelle, une gamme de morphologies de particules solides et de microstructures, ont été obtenues en variant température d'alimentation. Pour les billettes SEED, nouveau brevet d'ALCAN international pour la coulée semi-solide, les changements de morphologies ont été réalisés en contrôlant les paramètres du procédé pendant la solidification de la masse. Afin d'étudier l'évolution morphologique due à l'effet des différents paramètres du procédé, la température d'alimentation et les intensités de brassage, les billettes MSS préparées par les deux méthodes ont été étudiées en utilisant la métallographie quantitative. La microstructure de l'alliage de MSS A356 a été également caractérisée en utilisant une méthode innovatrice, soit la viscométrie par la compression entre plaques parallèles, ce qui a permis d'obtenir une corrélation entre la morphologie et la viscosité. L'objectif principal de la présente recherche était de tirer partie de principes rhéologiques pour étudier le comportement à la déformation de l'alliage A3 56 pour différentes morphologies et fractions solides, en traitent des billettes de MSS comme des fluides newtoniens et non newtoniens, respectivement. En outre, deux relations empiriques ont été proposées pour mettre en évidence le lien entre la viscosité, la fraction solide et la morphologie. Afin de confirmer d'avantage la fiabilité des résultats des tests et de montrer que la dimension de l'échantillon n'a aucun effet sur les valeurs finales de la déformation et de la viscosité, une nouvelle série d'essais a été réalisée en utilisant deux types de spécimens ayant un rapport d'aspect (hauteur/diamètre) de 0.4 et de 1.8. On a constaté que la coulée conventionnelle des billettes à basse température d'alimentation (soit 615°C), donne des grains très fins et equiaxes tandis que les billettes façonnées à haute température d'alimentation (695°C) ont une structure dendritique. Pour les billettes SEED, on a noté que le brassage a raffiné les dendrites primaires et a favorisé la formation de particules oc-Al en rosettes et/ou globulaires. L'efficacité de l'augmentation du brassage peut être due à la réduction de la ségrégation des éléments d'alliage au front de solidification et à un meilleur transfert thermique entre le moule et le liquide conduisant ainsi à un faible gradient de température pour résultat d'un meilleur raffinage et la formation d'une structure equiaxe. On n'a noté aucune évidence d'eutectique emprisonnée dans les particules primaires d?a - Al, un des avantages la technologie SEED. Les résultats ont montré qu'une diminution de la température d'alimentation jusqu'au liquidus (615°C) améliore les caractéristiques d'écoulement des billettes. Les valeurs de viscosité calculées pour les billettes comportant des particules primaires globulaires de a-Al sont presque trois ordres de grandeur inférieures à celles obtenues pour les billettes possédant une structure entièrement dendritique. La différence des valeurs est réduite à un ordre de grandeur dans le cas d'une morphologie de rosette comparé à celui d'une morphologie globulaire. L'application d'un brassage pendant la solidification a un effet évident sur la déformabilité et la viscosité des billettes de MSS préparées par la méthode SEED. Pour les billettes produites à 695°C, les résultats montrent une déformation supérieure et une valeur de viscosité à la laisse lorsque l'intensité de brassage s'accent, ceci étant du à la structure globulaire de la billette. Une diminution de l'intensité de brassage amène un certain degré de résistance à la déformation due à la morphologie rosette ou dendritique. Pour les billettes coulées à 645°C, la mise en ?uvre du brassage augmente la déformation. Dans le cas d'une coulée à 630°C, le brassage est important pour induire une distribution uniforme de la température à travers le liquide ce qui conduit à une structure globulaire et une meilleure déformabilité. L'intensité de la pression appliquée est également un paramètre important pour différencier les structures. L'affinage des grains a été identifié comme facteur principal pour une meilleure déformabilité des billettes. La modification joue également un rôle important sur la déformabilité des alliages en réduisant de la tension superficielle du liquide résiduel, ce qui réduit la viscosité apparente des billettes. Deux équations empiriques ont été présentées pour le comportement rhéologique des billettes de MSS en utilisant la viscosité comme paramètre principal; logn = 5.56-1.39fs-(1.56fs +0.14)logoy logn = -1.85+4.9AR-(0.255AR +0.03)logoy Les relations empiriques expriment l'effet direct de la fraction solide et de la morphologie sur la viscosité des billettes semi solides. La validité de ces équations a été confirmée en portant en graphique le logarithme de la viscosité en fonction du taux de cisaillement pour différentes fractions solides et morphologies. Une bonne concordance a été trouvée entre les valeurs prédites et les résultats précédemment rapportés dans la littérature. L'effet négligeable de la dimension de l'échantillon sur la viscosité des billettes de MSS a été également confirmée, où les mêmes valeurs déformation et de viscosité ayant été obtenues pour des billettes de grande échelle et des disques de petite taille. Les résultats montrent qu'en utilisant des échantillons à grande échelle, le mouvement axial des billettes pourrait être négligée par rapport a l'écoulement radial pendant l'étape de déformation a l'état d'équilibre, où la grandeur de viscosité évalue, sont dans la même gamme pour les deux ensembles d'échantillons; (h?d > 1 ) et (h«d) respectivement.