La fissuration à chaud est un problème récurrent et critique pouvant mener à des défaillances lorsque les pièces formées sont soumises à diverses sollicitations dans leurs conditions d'utilisation comme dans le secteur automobile. Cette étude permet d'une part de valider la géométrie d'un moule destiné à évaluer la susceptibilité à la fissuration à chaud d'alliages d'aluminium moulés avec cette technique et d'autre part de définir un nouveau critère permettant d'expliquer la cause principale de l'apparition de fissuration à chaud. La fissuration à chaud ne se produit seulement lorsque le semi-solide se situe dans son intervalle de fragilité situé entre la fraction critique de solide et le point de rigidité de l'alliage. Un alliage avec une forte susceptibilité à la fissuration à chaud (Al-1%mCu) a été comparé avec un alliage ayant une plus faible fréquence d'apparition de fissure (Al-5%mCu). L'analyse par éléments finis opérée avec le logiciel ABAQUS/Explicit a permis de montrer que la pression hydrostatique est le facteur permettant d'expliquer l'apparition de fissurations à chaud et lorsqu'elle atteindrait une valeur critique de -0.1 MPa, les porosités prendraient tellement d'expansion qu'elles se propageraient sous la forme d'une fissure dans le semi-solide. La valeur de la pression hydrostatique critique dépend donc de la fraction critique de solide, du taux de refroidissement, de la quantité d'hydrogène dissout dans le liquide, de la microstructure et des contraintes de traction. Cette théorie peut ainsi être généralisée à tous les alliages d'aluminium. / Hot tearing is a critical problem which occurs very often during solidification process and can lead to failure when the part is exposed to different stresses like automotive field. First, the geometry of the mold allowing the hot tearing susceptibility study for aluminium alloys used in High Pressure Vacuum Die Casting technic has been verified. Then, a new criterion is proposed to explain hot tearing arrival and its propagation into the semi-solid. Hot tearing occurs only during a weakness interval of temperature depending on the cooling rate, the microstructure, and the solid fraction of the alloy. An alloy with a high hot tearing sensitivity (Al-1%wtCu) is compared with another alloy with a smaller hot tearing sensitivity (Al-5%wtCu). Finite Element Analysis were performed with the software ABQUS/Explicit to prove that hydrostatic pressure is the criterion allowing to explain hot tearing formation and when the hydrostatic pressure is more negative than the critical value of -0.1MPa, porosities can grow up and propagate it into the semi-solid with the shape of a tear. In this case, the value of the critical hydrostatic pressure depends on the critical solid fraction, the microstructure, the cooling rate, dihydrogen concentration dissolved in the liquid fraction and the tractions stresses. This theory can be applied to all of the aluminium alloys.

L'aluminium est l'un des métaux non ferreux les plus utilisés dans le monde avec une large gamme d'applications de la batterie de cuisine simple au vaisseau spatial avancé. Au fait, avec des applications où des propriétés mécaniques élevées sont nécessaires, comme dans l'industrie automobile, une considération technique est requise pour améliorer les propriétés mécaniques. Comme la distribution finale des précipités joue un rôle crucial dans les propriétés mécaniques de ces alliages, une meilleure compréhension de l'évolution de la microstructure et cinétique des précipitations peut aider sensiblement la conception du procédé de traitement thermique des alliages d'aluminium. Cependant, en raison de la taille et de la morphologie des précipités, les études expérimentales de la précipitation et les méthodes de caractérisation avancée requises comme la microscopie électronique à transmission sont coûteuses et nécessitent beaucoup d’expertises techniques. Les méthodes numériques, lorsqu’elles sont à point, peuvent s’avérer comme étant un outil très utile pour évaluer l'évolution des précipités et les propriétés mécaniques correspondantes. Cette étude présente un modèle cinétique de précipitation. Contrairement à de nombreuses études qui portent principalement sur la diffusion et l’énergie de d’interface, nous considérons la mobilité interfaciale comme étant la variable ayant un réel impact dans la cinétique de croissance des différents types de précipités. Cette variable, non seulement offre la possibilité d’étudier l’évolution des précipités des alliages multi éléments, mais permet aussi d’améliorer les performances de calcul. En outre, l'autre aspect positif de ce modèle est la possibilité de travailler avec des alliages industriels complexes multiphasés en considérant la croissance et la dissolution de différents types de précipités simultanément. / Aluminum is one of the most used non-ferrous metal in the world with an enormous range of applications from simple kitchenware to advanced spacecraft. In applications where high mechanical properties are needed, like in the car industry, it is strongly required to improve the mechanical properties. As the final distribution of precipitates plays a crucial role in mechanical properties of these alloys, a better understanding of the microstructural evolution and kinetics of precipitation can help noticeably the design of the heat treatment process of aluminum alloys. However, due to the size and morphology of the precipitates, experimental studies of the precipitation required advanced characterization methods like transmission electron microscopy which is not an industrially favorable technique since it is costly and required a lot of technical expertise. Numerical investigation can be a desirable tool to model the evolution of the precipitates and the corresponding mechanical properties. This study presents a kinetic model of precipitation. Unlike many studies that mainly focus on the diffusion and surface energy, we consider interfacial mobility as an effective variable in a mixed-mode model. This variable not only provides us the possibility to study the precipitates’ evolution in multicomponent alloys but also can boost the calculation performance. Moreover, the other superiority of this model is the possibility of working with complex multiphase industrial Al alloys by considering the growth and the dissolution of different types of precipitates simultaneously.

La fabrication additive regroupe une famille de procédés de mise en forme des métaux permettant la fabrication de pièces à géométrie complexe qui n’étaient pas réalisables auparavant. Selon l'industrie, cette nouvelle technologie est intéressante au niveau économique et au niveau des nouvelles possibilités de conception de pièces que celle-ci rend maintenant possible. Parmi les nombreux procédés de fabrication, la Déposition sous Énergie Dirigée (DED) se distingue des autres technologies de fabrication additive par sa méthode de déposition de matière particulière. Utilisant une puissante source d’énergie sous la forme d’un laser, d’un faisceau d’électrons ou d’un arc plasma, celle-ci permet de créer des pièces en 3 dimensions à l’aide de poudre ou de fil d’apport. La DED est notamment reconnue pour sa capacité à réparer des pièces de manière efficace et sa facilité à créer des pièces présentant des gradients de composition chimique. Ces deux applications particulières ont fait l’objet de trois projets de recherche distincts qui composent ce mémoire de maîtrise. Le premier s’intéresse aux propriétés mécaniques de composites à matrice métalliques d’alliage detitaneTi-6Al-4V renforcés à l’aide de carbures de tungstène conçus à l’aide d’un appareil de type DED. Le second explore les propriétés mécaniques et la microstructure de pièces d’acier inoxydable 316L-Si entièrement construites et réparées avec un appareil DED. Finalement, le dernier ouvrage s’intéresse aux propriétés mécaniques et à la microstructure de pièces d’alliage d’aluminium AlSi7Mg entièrement construites et réparées grâce à la DED. / Additive Manufacturing (AM) is a novel manufacturing process that allows the creation of complex shaped metallic parts from scratch in a layer-by-layer fashion conversely to conventional subtractive processes. This new technology is interesting for many manufacturing industries since it can enable significant cost savings and allows the creation of completely new and more efficient designs that were not achievable before. Directed Energy Deposition (DED) is a sub-category of AM processes that set itself apart from the others with its clever deposition process design.Using a high-density energy source such as an electron beam, a laser or a plasma arc, this process melts feedstock in powder or wire form onto a base plate the create a dense depositand a final part in an iterative way. Thanks to its deposition process, DED apparatuses can create Functionally Graded Materials (FGM) parts exhibiting varying mechanical or physical properties within their volume and repair defective or broken parts. These two main applications were the subject of three different studies that are presented in this master’s thesis. In the first one, complex shaped Ti-6Al-4V Metal Matric Composites (MMC) reinforced with different fraction of tungsten carbides (WC) created with a DED apparatus were studied in terms of mechanical behavior and wear properties.The next paper looked at tensile properties and microstructure of completely built and repaired 316L-Si stainless steel parts with DED. Finally, the last one studied the microstructure and the mechanical properties of entirely built and repaired AlSi7Mgparts using DED.

Le contrôle de la microstructure des alliages d'aluminium utilisés lors du moulage sous pression est essentiel afin d'optimiser leurs propriétés mécaniques. Celui-ci requiert une bonne compréhension du rôle de chacun des éléments contenus dans les alliages étudiés, ainsi que leurs interactions. La présente étude a permis de déterminer le rôle du manganèse sur la cinétique de précipitation des alliages Aural™-2, Aural™-3 et Aural™-5, tant à l'état tel que coulé qu'après un traitement thermique de 10h à 550°C, visant à homogénéiser la structure et mettre en solution le Mn. Les observations microscopiques effectuées lors du *volet pratique* de cette étude ont permis de constater qu'à l'état tel que coulé (F), le manganèse précipite sous la forme de deux composés intermétalliques distincts, soient sous la forme de polyèdres et de plaques minces. Selon des analyses subséquentes au microscope électronique à transmission et par calorimétrie différentielle à balayage, le composé intermétallique polyédrique correspond stœchiométriquement à la phase α-Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂. Il s'agit également du composé intermétallique riche en Mn le plus communément retrouvé dans les simulations thermodynamiques effectuées. La taille et la disposition du composé α-Al(Mn,Fe)Si dans la microstructure solidifiée suggèrent la présence d'une cristallisation partielle des alliages dans la chemise d'injection. Cette phase demeure à l'équilibre à haute température, ce qui explique qu'on la retrouve toujours après le traitement de mise en solution. La précipitation de dispersoïdes α-Al(Mn,Fe)Si a également été observée à la suite de ce traitement thermique. Le composé intermétallique riche en Mn présentant une morphologie en plaque correspond quant à lui à la phase δ-Al(Mn,Fe)Si, dont la stœchiométrie la plus probable est Al₃(Mn,Fe)Si₂. Ce composé intermétallique hors équilibre semble s'être formé en fin de solidification de l'eutectique Al-Si, en raison des taux de refroidissement élevés ayant conduit à une importante microségrégation des éléments d'alliage. Le composé δ-Al(Mn,Fe)Si semble se fragmenter et se transformer en composé intermétallique stable α-Al(Mn,Fe)Si après le traitement de mise en solution, comme observé dans la littérature pour le composé intermétallique en plaque β-Al(Fe,Mn)Si. En plus des observations pratiques, le *volet théorique* a permis d'observer une disparité des phases prédites lors de la solidification selon le modèle de simulation (Scheil-Gulliver ou Brody-Flemings multiphasé), le logiciel de simulation CALPHAD (Thermo-Calc™ ou MatCalc®) et la base de données thermodynamique utilisés. Aucune des simulations n'a toutefois permis d'identifier la solidification de δ-Al(Fe,Mn)Si, tel qu'observé en laboratoire. Néanmoins, la simulation DICTRA du traitement thermique a pu prédire la dissolution de la phase β-Mg₂Si, ainsi que la stabilité de la phase α-Al(Fe,Mn)Si durant le traitement de mise en solution. / Controlling the microstructure of aluminum alloys used in High Pressure Vacuum Die Casting (HPVDC) is essential to optimize their mechanical properties. This requires a good understanding of the role of each alloying elements in the alloys studied, as well as their interactions. This study determined the role of manganese in the precipitation kinetics of Aural™-2, Aural-3 and Aural-5 alloys, both in the as-cast condition and after a 10h heat treatment at 550°C aimed at homogenizing the structure as well as solutionizing the Mn. Microscopic observations made during the *practical part* of this study revealed that, in the as-cast (F) state, the Mn precipitates as two distinct intermetallic compounds; polyhedras and thin plates. Subsequent analysis by transmission electron microscope and differential scanning calorimetry revealed that the polyhedral intermetallic compound corresponds stoichiometrically to the phase α-Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂. It is also the most common Mn-rich intermetallic compound found in the thermodynamic simulations carried out. The size and the arrangement of the α-Al(Mn,Fe)Si compound in the solidified microstructure suggests the presence of a partial crystallization of the alloys in the shot sleeve. This phase remains at equilibrium at high temperature, which explains why it is still present after solution heat treatment. The precipitation of α-Al(Mn,Fe)Si dispersoids was also observed following this heat treatment. The Mn rich compound exhibiting a plate morphology corresponds to the intermetallic phase δ-Al(Mn,Fe)Si, whose most probable stoichiometry is Al₃(Mn,Fe)Si₂. This out-of-equilibrium intermetallic compound seems to have formed at the end of solidification of the Al-Si eutectic, due to the high cooling rates leading to significant microsegregation of the alloying elements. The δ-Al(Mn,Fe)Si compound appears to fragment and transform into the equilibrium α-Al(Mn,Fe)Si intermetallic compound after solution heat treatment, as observed in the literature for the plate-like β-Al(Fe,Mn)Si intermetallic compound. In addition to the experimental observations, the *theoretical part* of this study revealed a disparity in the predicted phases during solidification according to the different simulation models (Scheil-Gulliver or Brody-Flemings multiphase), CALPHAD simulation softwares (Thermo-Calc™ or MatCalc®), and thermodynamic databases used. None of the simulations, however, predicted the solidification of the observed δ-Al(Fe,Mn)Si. Nevertheless, the heat treatment simulation conducted with DICTRA was able to predict the dissolution of the β-Mg₂Si phase, as well as the stability of the α-Al(Fe,Mn)Si phase during solution heat treatment.

Cette étude, menée en collaboration avec Airbus, porte sur la modélisation du comportement mécanique en fissuration d'alliages aéronautiques incluant des alliages d'aluminium, de titane et un acier haute résistance. L'objectif est, à terme, de remplacer les essais expérimentaux, longs et coûteux nécessaires à la qualification d'un matériau dans le domaine aéronautique. Trois essais sont abordés dans cette étude : l'essai de ténacité, de courbe R et de propagation de fissure à fort DK. Une étude bibliographique a tout d'abord permis de choisir un modèle de référence pour ces travaux. Après avoir constaté la véracité des dires de Paul Valéry « Tout ce qui est simple est faux, tout ce qui n'est pas simple est inutilisable », le modèle de Lemaitre, couplé à un critère de rupture énergétique permettant de réduire la dépendance au maillage de la réponse numérique, est apparu comme le meilleur candidat. Ses avantages, incluant un cadre thermodynamique robuste, compensent son principal inconvénient qui est sa description basique de l'endommagement mise en défaut par des observations expérimentales. En effet celles-ci mettent en évidence que deux mécanismes de fissuration gouvernent la propagation de fissure à fort DK et/ou fort rapport R. C'est pourquoi deux variables d'endommagement ont été définies dans un modèle alternatif, proche du modèle de référence. Un tel modèle permet de conserver les qualités du modèle de Lemaitre sous chargement monotone tout en améliorant les simulations des essais de propagation de fissure à fort DK. De plus, l'un des points forts du modèle proposé est de permettre la modélisation sous certaines conditions des trois essais de qualification à partir de paramètre identifiés sur un seul essai de traction. Les simulations sous le logiciel de calcul par éléments finis Abaqus sont comparées aux essais afin de valider les améliorations apportées au modèle classique de Lemaitre. Les résultats, les avantages et les défauts sont explicités dans ce manuscrit.

Lorsque le produit de la réaction d'un gaz sur un solide métallique est un composée solide stable dans les conditions expérimentales, sa présence à la surface du métal ne permet plus un contact direct entre les deux réactants. Dans certains cas, le produit formé assure un effet protecteur complet et la réaction s'arrête. Mais il en est rarement ainsi et généralement le gaz ou le métal diffusé à travers le produit formé; ce qui permet à la réaction de se poursuivre. La cinétique du processus est alors réglée par la vitesse des étapes successives, qui décrivent cette diffusion, chacune d'elles peut être schématisée par le saut d'une particule dans le réseau cristallin. On peut alors distinguer deux cas : L'élément gazeux a un coefficient de diffusion supérieur à celui de l'élément métallique. Le produit formé croît au détriment de la matrice métallique et la zone diffusionnelle se limite à la couche formée. L'élément gazeux a un coefficient de diffusion inférieur à celui de l'élément métallique. Le produit formé croît par l'extérieur de l'oxyde et il est naturel d'envisager une diffusion dans le produit formé et dans la matrice métallique alors constituée par des atomes métalliques et des lacunes. Cette diffusion sans la matrice métallique permet de rendre compte de la consommation du métal. Si la diffusion dans la matrice joue un rôle important sur la vitesse du processus, elle peut également intervenir sur la nature et la localisation des produits formés à partir d'un alliage. La réactivité des différents éléments alliés avec le gaz est en effet déterminée par les conditions thermodynamiques de l'expérience. Ces conditions font intervenir la fraction atomique de chaque élément dans l'alliage. Il s'ensuit que la diffusion d'un ou plusieurs éléments dans la matrice métallique, modifiant le profil des concentrations, peut faire varier les conditions thermodynamiques et par suite la nature des produits formés. On conçoit ainsi l'importance de la nature des milieux diffusionnels sur les processus cinétiques, cela nous a conduits à élaborer un modèle de diffusion mixte dans les deux milieux en tenant compte de la consommation du métal au cœur de l'échantillon où se créé un évidement Ce modèle valable pour les métaux purs s'applique à des alliages binaires monophasés qui subissent une oxydation sélective des éléments. Du point de vue expérimental, nous nous sommes attachés à obtenir le maximum de renseignements relatifs d'une part à la composition et à la localisation des produits formée et d'autre part à l'influence de la teneur en éléments de la matrice métallique.

Mémoire (M.Eng.)-- Université du Québec à Chicoutimi, 2002. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse (M.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2003. / Bibliogr.: f. [176]-185. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse (M.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2003. / Bibliogr.: f. [141]-150. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse (M.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2003. / Bibliogr.: f. [177]-183. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU