L'industrie en général cherche évidemment à réduire la dépendance aux combustibles et aux produits à base de pétrole. Dans le domaine des matériaux, l'accent est mis sur le développement des composites à fibres naturelles, comme une alternative réaliste aux plastiques renforcés par des fibres de verre. Les fibres naturelles peuvent apporter des propriétés mécaniques comparables à celles que donneraient les fibres de verre, avec cependant des densités plus faibles et un caractère biodégradable. Plusieurs techniques de fabrication sont disponibles pour mettre en oeuvre les composites avec une grande variété de renforts et de résines, et le moulage par transfert de résine (RTM) est l’un des procédés le plus utilisé. Un renfort à fibres naturelles est considéré comme un milieu poreux, et dans le cas du procédé RTM sa perméabilité définit le temps et l'étendue de l'infiltration et, par conséquent, le coût et la qualité de la pièce finale. Un autre paramètre très important dans la fabrication des composites est la fraction volumique des fibres. Ce paramètre a une influence non seulement sur la perméabilité mais aussi et surtout sur les propriétés mécaniques du composite fabriqué. Néanmoins, la nature et l’architecture du renfort ont un impact significatif sur ses propriétés mécaniques. Dans le présent travail, la perméabilité planaire d’un renfort unidirectionnel (UD) de type UD-lin/papier a été étudiée. La perméabilité de la couche papier a fait l’objet d’une optimisation par la modification de la structure du réseau fibreux, afin d’augmenter la perméabilité globale du renfort. Les résultats obtenus ont démontré que l’ajout des fibres courtes de lin dans le papier affecte positivement sa perméabilité de la même manière qu'il affecte la perméabilité globale du renfort. Une alternative à la couche de papier a été proposée et consiste à la remplacer par un mat à fibres courtes de lin obtenu par la même technique de laboratoire de fabrication du papier. En premier lieu, le mat a été considéré comme un renfort individuel. Cette partie du travail a mené à l’étude des paramètres de fabrication et des caractéristiques du mat (densité surfacique, longueur de fibre) et leurs effets sur la microstructure du renfort et sa perméabilité. L'analyse expérimentale de la porosité des mats à fibres courtes de lin a démontré une relation fonctionnelle entre la densité surfacique, la longueur de fibre et la distribution de la taille des pores. Les mesures de perméabilité effectuées ont permis de conclure que sa variation suit une loi exponentielle en fonction de Vf. En outre, une augmentation de la densité surfacique augmente le nombre de fibres par unité de surface et réduit l'espace libre entre les fibres, ce qui donne un réseau fibreux plus dense avec un faible taux de porosité et qui diminue par conséquent la perméabilité du mat. L’étude a été renforcée par la caractérisation des écoulements capillaires dans le renfort pour identifier les effets de ces paramètres caractéristiques sur son comportement en imprégnation. Les résultats obtenus ont démontré qu’une augmentation de la densité surfacique du renfort influence significativement la vitesse d’écoulement du fluide et par conséquent augmente sa saturation, ce qui réduit le taux de vide formé. Par la suite, les mats fabriqués ont été utilisés pour fabriquer des composites à différentes fractions volumiques de fibres. Ceux-ci ont été caractérisés et les propriétés mécaniques en traction et en flexion ont été déterminées et modélisées, accompagnée d’une analyse de l’endommagement par émission acoustique qui a permis d’identifier l’évolution des différents modes d’endommagement en fonction de la fraction volumique de fibres. Les résultats obtenus ont démontré que les propriétés mécaniques optimales sont obtenues à un Vf = 40%. L’utilisation de l’émission acoustique a révélé que la baisse des propriétés à Vf = 50% est attribuable à une mauvaise adhérence fibre-matrice, elle-même traduite par une dominance du mode d’endommagement «friction fibre-matrice et déchaussement », pour les deux types d’essais (traction et flexion). Dans la dernière partie du travail et afin de déterminer l’efficacité d'un mat pour remplacer la couche de papier comme agent liant, le comportement en imprégnation du renfort global (UD/Mat) a été étudié en mesurant sa perméabilité planaire à différentes fractions volumiques de fibres. Des composites ont été fabriqués avec ce nouveau renfort et ont fait l’objet d’une étude expérimentale du comportement mécanique et de l’endommagement en traction et en flexion. Les résultats obtenus ont démontré que la perméabilité de ce renfort est supérieure à celle obtenue avec la couche papier mais elle diminue lorsque la densité surfacique du mat utilisé augmente. D'autre part, l'addition des fibres courtes de lin a un effet significatif sur la réduction de la variabilité des propriétés mécaniques mesurées et sur l’augmentation des propriétés mécaniques dans le sens transversal. La présence des fibres courtes a aussi démontré un effet positif sur l’endommagement du matériau en limitant la propagation des fissures dans le sens longitudinal et en améliorant les facettes de rupture. Today, the industry aims to reduce its dependency on fuels and petroleum products. The emphasis is placed on the development of natural fiber composites as a realistic alternative to plastic reinforced with glass fibers. Natural fibers are biodegradable and can provide comparable mechanical properties to those given by glass fibers, with lower densities. Several manufacturing techniques are available to produce a wide variety of reinforcements and resins. RTM (resin transfer molding) is one of the most common one. In this process, the natural fiber reinforcement is considered as a porous medium, where the permeability defines the infiltration time and extent and, consequently, the cost and the quality of the final part. An important parameter in the manufacture of composites is the fiber volume fraction. This parameter affects not only the permeability of the reinforcement, but also the mechanical properties of the resulting composite. The type and the architecture of the reinforcement also have a significant impact on its mechanical properties. In this study, the permeability of a UD flax/paper reinforcement was investigated. The permeability of the paper layer has been optimized by modifying the fibrous network structure in order to optimize the global permeability of the reinforcement. The obtained results demonstrated that the addition of the short flax fibers in the paper layer affects positively its permeability in the same way that it affects the global permeability of the reinforcement. A short flax fiber mat has been proposed as an alternative to replace the paper layer. First, the mat was considered as an individual reinforcement. This part of the work led to the study of the effect of manufacturing and material parameters (surface density, fiber length) on the characteristic parameters of its microstructure and its permeability. The experimental analysis of the porosity demonstrated a functional relation between the surface density, the fiber length and the pores size distribution. The measured permeability is observed to follow an exponential trend, according to Vf. Moreover, an increase of the surface density increases the number of fibers by unit area and reduces the free space between fibers, which gives a denser fibrous network with a low rate of porosity and decreases consequently the permeability of the mat. The study was enhanced by a characterization of the capillary flows in the reinforcement in order to identify the effects of these parameters on its impregnation behavior. The obtained results demonstrated that an increase of the surface density of the reinforcement influences significantly the fluid flow velocity and consequently increases its saturation, which reduces the void content in the sample. Thereafter, the manufactured mats were used to fabricate composite plates with various fiber volume fractions. These composites were characterized and the mechanical properties in tensile and flexural loading were determined and modelled. The characterization of the mechanical behavior in tensile and flexural loading was accompanied with an analysis of the damage behavior monitored by acoustic emission, which allowed to identify the evolution of the different damage modes during loading as well as according to the fiber volume fraction. The obtained results demonstrated that the optimal mechanical properties are obtained at Vf = 40%. The use of acoustic emission revealed that the reduction of the mechanical properties at Vf = 50% is attributable to a limited adhesion between the fibers and the matrix, which translates to a dominance of the fiber-matrix friction and fiber pull out damage mode. To determine the efficiency of the mat layer as a replacement of the paper layer, the impregnation behavior of the global reinforcement (UD/Mat) was studied by measuring its permeability in various fiber volume fractions. New composites were fabricated with this new reinforcement and the mechanical and damage behaviors were studied. The obtained results demonstrated that the permeability of this reinforcement is superior to that obtained with the paper layer, but always decreases with increasing the surface density of the used mat. On the other hand, the addition of the short flax fibers was observed to have a significant effect on the reduction of the variability of the measured mechanical properties and on the increase of the mechanical properties in the transverse direction of the composite. The presence of short fibers has finally demonstrated a positive effect on the damage of the material by limiting the propagation of cracks in the longitudinal direction, parallel to the unidirectional fiber, and by improving the fractured surface.

Carbon anodes, which are used in electrolytic cells to produce aluminum, are made of petroleum coke, rejected anodes, and butts (dry aggregate) and coal tar pitch (binder). Increasing anode quality helps decrease energy consumption, production cost as well as greenhouse gas emissions. Good binding between dry aggregate and pitch results in dense anodes, and thereby affects the final anode properties. Pitches may have significant differences in their chemical composition and physical properties depending on their origins. This, in turn, determines their behavior during pyrolysis (baking) and the characteristics of baked anodes. One objective of this work is to study the correlation between the wettability of a given coke by various pitches with different QI (quinoline insolubles) contents and the properties of anodes made with these pitches. The results show that the chemical and physical properties of pitches influence the wettability of coke by pitch. The wettability of pitch-coke system increases with increasing O, N, and S contents in pitch. The presence of COOH and amine groups in pitch might result in an interaction in the pitch mixtures making them less wetting with coke. The QI particle size and its distribution in pitch play a significant role on the wettability of coke by pitch. The size distribution of coke particles seems to have a strong influence on the penetration of pitch into the coke. The results also showed that the softening point of pitch has an influence on the wetting characteristics of pitch. This study involved the investigation of a number of pitches and anodes made from them. These anodes were produced in the laboratory using an anode recipe similar to that used by industry. The properties of the laboratory anodes (density, air/CO2 reactivity, and electrical resistivity) as well as some of the production parameters (pitch type, pitch content, and anode production conditions such as vibro-compaction time, mixing temperature, and pitch and/or coke preheating temperature) were investigated. Moreover, differences in texture and topography of different pitches and pitch percentage as well as the interface between pitch and aggregate particles in green and baked anodes were studied. Different structures of binder pitches used during the fabrication of green anodes affect the wetting behaviour and the formation of carbonized pitch during the anode baking process. The objective of the project was to investigate the effect of pitch properties on anode properties. Based on the above analyses, the anode properties were correlated with the pitch properties. These results were complemented by the analyses of available industrial data. In addition, the kinetic parameters of the volatile gas components (hydrogen, methane, condensable gas) released during the baking of the laboratory anodes made with different types of pitches and pitch percentages were determined. The quantity and the temperature (and time via heating rate) range over which the volatile gas components were released were found and their kinetic expressions were calculated. Such information helps understand the effect of pitch on anode properties, and this could be effectively used in controlling the volatile combustion to improve energy use in baking furnaces. Les anodes en carbone, qui sont utilisées dans le procédé électrolytique pour produire l'aluminium, sont fabriquées de coke de pétrole, des anodes rejetées et des mégots (agrégat sec) et de brai de houille (liant). L'amélioration de la qualité de l'anode permet de diminuer la consommation d'énergie, les coûts de production, ainsi que les émissions des gaz à effet de serre (GES). Une bonne liaison entre les particules de l’agrégat sec et des brais mène aux anodes denses et affecte ainsi les propriétés d'anode cuite. Les brais peuvent varier considérablement chimiquement et physiquement en fonction de leurs origines. Ceci, à son tour, détermine leur comportement durant la pyrolyse (cuisson) et les caractéristiques des anodes cuites. Un des objectifs de ce travail est d'étudier la corrélation entre la mouillabilité d'un coke produit en utilisant divers brais avec différentes quantités d'IQ (insolubles de quinoline) et les propriétés des anodes produites avec ce brai. Les résultats montrent que les propriétés chimiques et physiques des brais influencent la mouillabilité du coke par le brai. La mouillabilité augmente avec la quantité de l’oxygène, de l’azote, et la teneur en soufre du brai. La présence des groupes COOH et NR3 peut résulter en une interaction dans les mélanges des brais qui les rendent moins mouillants. La taille des particules d’IQ et sa distribution dans le brai jouent un rôle important sur la mouillabilité du coke par le brai. Aussi, la distribution de la taille des particules de coke semble avoir une forte influence sur la pénétration du brai à travers le lit de coke. Les résultats ont également confirmé que le point de ramollissement du brai a une influence sur les caractéristiques de mouillage du brai. Cette étude implique un certain nombre des brais et des anodes fabriquées à partir de ces derniers. Les anodes ont été produites dans le laboratoire en utilisant une recette d'anode similaire à celle utilisée par l'industrie. Les propriétés des anodes de laboratoire (la densité, la réactivité à l’air/au CO2 et la résistivité électrique) ainsi que certains des paramètres de production d'anode (le type de brai, le contenu de brai, les conditions de formage des anodes) ont été étudiés. En outre, les différences dans la texture et la topographie des différents brais et leur pourcentage dans des anodes ainsi que l'interface entre le brai et les particules de l’agrégat sec dans les anodes crues et cuites ont été étudiés. Les différentes structures des brais utilisés pour fabriquer des anodes crues affectent le comportement de mouillage et la cokéfaction du brai au cours de la cuisson des anodes. Les propriétés de l'anode sont corrélées avec les propriétés du brai. De plus, les paramètres cinétiques des volatiles (hydrogène, méthane, goudron) libérés pendant la cuisson des anodes au laboratoire ont été déterminés avec les différents types des brais. La quantité et l'intervalle de températures des volatiles libérés pendant la cuisson ont été déterminées et leurs expressions cinétiques ont été établies. Ces informations pourraient aider à comprendre l'effet des propriétés du brai sur les propriétés d'anode, et cela pourrait être utilisé effectivement dans le contrôle de la combustion des volatiles afin d’améliorer la consommation énergétique dans le four de cuisson.

Semisolid metal forming is becoming more and more attractive in the foundry industry due to its low cost and easy operation to produce high quality near-net-shape components. Over the past years, semisolid forming technique is mainly applied on the casting aluminum alloys due to their superior castability because of low melting temperature and viscosity. In semisolid forming field, thixoforming has been majorly used which involves of reheating the billet into semisolid state followed by casting process. Rheocasting is a more economic semisolid processing compared to thixoforming, which the semisolid billet is produced directly from liquid phase. The SEED process is one of reliable rheocasting techniques to produce high quality semisolid billets. To produce high quality semisolid billets, their unique rheological properties have been the most important issue need to be fully investigated. The aim of present project is to produce high quality semisolid AA7075 billets by SEED process and analyze their rheological properties under various process conditions. The effect of the SEED processing parameters and grain refiners on the semisolid microstructure and rheoformability were investigated. The deformation and rheological behavior of the semisolid billets of AA7075 base and its grain-refined alloys were studied using parallel-plate viscometer. In the first part, the evolution of liquid fraction to temperature of semisolid AA7075 alloy was investigated using Differential Scanning Calorimetry (DSC). It was found that the liquidus and solidus temperature of AA7075 alloy were 631℃ and 490℃ respectively. And the corresponding temperatures of solid fraction of 40% and 60% were 622℃ and 610℃, which was recognized as the temperature window for semisolid forming of this alloy. In the second part, the semisolid slurries were rheocasted using SEED technology and the effect of the SEED process parameters like swirling frequency and demolding temperature on evolution of microstructure was studied. It was found that the swirling frequency has a strong influence on the mean grain size and morphology of primary α-Al particles. With increasing swirling frequency, the mean size of α-Al particles first decreased significantly and then kept constant or increased slightly, due to the fragment and aggregation of solid particles. Microstructures also revealed that the α-Al particles tend to transform from dendrite-like to rosette-like to globular-like morphology due to the stirring movement. In the third part, the effects of TiB2 and Zr on the microstructure of semisolid AA7075 alloy were investigated. The microstructure observation and the intermetallic phase identification were carried out by optical microscopy equipped with Clemex analyzer and scanning electron microscopy (SEM). The mean size of primary α-Al particles decreases from more than 110 μm to less than 90 μm and the morphology changes from dendritic-like to globular-like with the addition of TiB2. With the addition of Zr or Zr + TiB2, the mean size and morphology of primary α-Al particles didn't show significant modification. Furthermore, the addition of TiB2 shows significant refinement on three intermetallic phases (Mg(Zn,Cu,Al)2, Fe-rich Al(Fe,Mn)Si and Mg2Si. All the intermetallic phases become finer in size and more uniform distribution among the grains. Finally, the rheological behavior and microstructure of deformed semisolid billets of AA7075 base and grain-refined alloys were investigated using parallel-plate viscometer. Images analysis shows that liquid segregates from center to edge of the billet during compression and with increasing temperature the liquid segregation becomes more significant. The apparent viscosity of two alloys decreases with the increasing shear rate, indicating shear thinning behavior. Shear rate jump phenomenon (first increase and then decrease) occurred at lower solid fraction, reaching a maximum shear rate value. The whole compression processing is divided into two parts: shear rate increasing part and shear rate decreasing part. For higher solid fraction, the shear rate decreases continuously and slowly. The attainable maximum shear rate value increases with the decreasing solid fraction. During the shear rate decreasing part, at any given shear rate the viscosity increases with the increasing solid fraction. The comparison of the viscosity of two alloys indicated that the TiB2-refined AA7075 alloy has lower viscosity (shear rate decreasing part) due to small grain size and globular grain shape. In addition, the grain refinement significantly expands the solid fraction range of good rheoformability from 42%-48% for the base alloy to 42%-55% for the refined alloy. La formation des matériaux métalliques à l’état semi-solide attire de plus en plus l’industrie dû à ses coûts peu élevés et à la facilité avec laquelle il permet de produire des composants aux formes très nettes de qualité supérieure. Depuis les dernières décennies, la technique de mise en forme du métal semi-solide s’applique principalement à la fonderie d’alliages d’aluminium, grâce à sa bonne coulabilité causée par ses basses températures de fusion et de viscosité. Le thixoformage, qui implique de chauffer des lopins jusqu’à l’état semi-solide avant de procéder à la fonte, était majoritairement utilisé. Cette technique est cependant plus couteuse que le rhéomoulage, procédé par lequel le lopin est produit en premier lieu en phase liquide. Le procédé SEED est l’un des plus fiable pour produire des lopins de la meilleure qualité qui soit. Afin de produire des lopins semi-solides d’une telle qualité, leurs propriétés rhéologiques uniques ont été sujet aux plus profondes investigations. Le présent projet a pour objectif de produire des lopins semi-solides AA7075 de haute qualité par le procédé SEED et d’analyser leurs propriétés rhéoligiques sous plusieurs conditions. Pour ce faire, les effets des paramètres de traitement et des affineurs de grain sur la microstructure et la rhéoformabilité ont été investigués. La déformation et le comportement rhéologique des lopins de base AA7075 et des alliages raffinés ont été étudiés en utilisant un viscosimètre à plaques parallèles. Dans la première partie, l’évolution de la fraction de liquide selon la température de l’alliage AA7075 semi-solide a été examinée à l’aide d’un Calorimètre Différentielle à Balayage (DSC). Il a été démontré que le liquidus et le solidus de l’alliage AA7075 étaient respectivement de 631°C et de 500°C. Les températures correspondantes de la fraction de solide de 40% et de 60% étaient de 622°C et 610°C, ce qui correspond à la fenêtre de température pour former un alliage semi-solide. Dans un second lieu, les lopins semi-solides ont été rhéomoulés en utilisant la technologie SEED et l’effet des paramètres du procédé SEED, comme la fréquence de tourbillonnement et la température de démoulage sur l’évolution de la microstrucrure, ont été étudiées. Il a été montré que la fréquence de tourbillonnement a une forte influence sur la taille moyenne des grains et la morphologie des particules primaires -Al. En augmentant de façon continue la fréquence de tourbillonement, la taille moyenne des grains des particules -Al a d’abord diminué de façon significative, pour ensuite rester constante ou augmenter légèrement en raison de la fragmentation et de l’aggrégation des particules solides. Les microstructures ont également révélé que les particules ont tendance à passer de la forme en dentrite vers une forne en rosette, puis vers une forme plus sphérique à cause de la vibration. Dans la troisième partie, les effets de TiB2 et du Zr sur la microstructure de l’alliage AA7075 semi-solide ont été étudiés. L’examen de la microstructure et l’identification des phases intermétalliques ont été réalisées par microscope optique, au moyen du microscope électronique à balayage Clemex (SEM) . La taille moyenne des particules primaires de -Al diminue de plus de 110 um à moins de 90 um et, avec l’addition de TiB2, leur morphologie passe de dendritique à globulaire. Avec l’ajout de Zr ou Zr + TiB2, la taille moyenne et la morphologie des particules -Al primaire n'a pas montré de modification significative. De plus, l'ajout de TiB2 engendre un raffinement significatif sur trois phases intermétalliques (Mg(Zn,Cu,Al)2, Al(Fe,Mn)Si riche en fer et Mg2Si. Toutes les phases intermétalliques obtiennent une taille plus fine et une distribution plus uniforme parmi les grains. Enfin, le comportement rhéologique et la microstructure des lopins déformés semi-solides de la base AA7075 et les alliages à grains raffinés ont été étudiés à l'aide de plaques parallèles viscosimètres. L’analyse des images montre que les liquides migrent du centre vers le bord du lopin lors de la compression et, avec l'augmentation de la température, ce mouvement devient plus important. La viscosité de deux alliages diminue avec l’augmentation de la vitesse de cisaillement, ce qui indique un comportement de fluidification par cisaillement. Le taux de cisaillement subit une grande variation (augmente d’abord puis diminue ensuite) lorsque la fraction solide est plus basse, atteignant ainsi son maximum. La compression se compose donc de deux étapes : la partie où le taux de cisaillement croît, et celle où il décroît. Lorsque la fraction solide est plus haute, le taux de cisaillement diminue de façon continuelle et lente. Le plafond du taux de cisaillement augmente à mesure que diminue la fraction solide. Lorsque la vitesse de cisaillement décroît, la viscosité augmente avec la fraction solide. La comparaison de la viscosité des deux alliages a indiqué que l’alliage raffiné AA7075 TiB2 a une viscosité plus faible (partie décroissante du taux de cisaillement) en raison de la petite taille des grains et de sa forme globulaire. De plus, le raffinement du grain étend de façon significative la plage de fraction solide permettant une bonne rhéoformabilité, soit de 42%-48% pour l’alliage de base à 42%-55% pour l’alliage raffiné.

II existe plusieurs méthodes de mesure pour sonder les caractéristiques thermophysiques des nouveaux alliages ou matériaux composites. Cependant la technique flash se distingue grâce à son principe de mesure à la fois simple et original. Plusieurs propriétés thermophysiques sont évaluées à partir de l'analyse de thermogramme de la surface arrière d'un petit échantillon dont la face frontale est subitement exposée à une décharge énergétique qui dans notre cas est un flash. Nous avons conçu l'unité d'excitation thermique (flash) afin qu'il puisse répondre aux critères énergétiques requis par la méthode de mesure. Pour effectuer des mesures à haute température, nous avons résolu les problèmes thermiques reliés à la conception d'une enceinte chauffante électrique dont il a fallu minimiser les contacts avec le module de support des échantillons qu'elle contient. La faiblesse de l'énergie délivrée par un flash et les pertes de chaleur à l'intérieur du système de chauffage engendrent des difficultés supplémentaires. Dans ces conditions, le choix des senseurs thermiques et le gradient de température formé entre ceux-ci et les points de référence jouent un rôle prépondérant dans le succès des mesures. Nous avons également établi une procédure qui permet de limiter au minimum le bruit électromagnétique présent dans le laboratoire et ses environs.

Dans cette étude, nous avons développé et testé la technique appelée "méthode de la peau chauffante" afin de mesurer les coefficients convectifs locaux sur la surface horizontale d'un four circulaire. L'écoulement des gaz dans la chambre de combustion a été exploré par différentes techniques de visualisation. Pour la technique de la peau chauffante, on a utilisé une surface multicouche pour simuler les conditions du bain de métal fondu en modèle réduit. Le sens de la propagation de la chaleur est opposé à ce qu'il est en réalité parce que dans le modèle, le gaz est plus froid que la surface. Les coefficients de transfert de chaleur sont mesurés par des senseurs thermiques qui ont été placés sur la surface du modèle. Une caméra infrarouge est également utilisée pour visualiser la distribution de température et la formation des points chauds. Cinq séries d'essais expérimentaux ont été effectuées pour différentes orientations axiales et rotationnelles des brûleurs, et pour des nombres de Reynolds variant entre 6 x 103 et 3 x 104. Les résultats ont été comparés qualitativement avec ceux obtenus par la vélocimétrie et l'imagerie infrarouge. L'erreur expérimentale calculée à partir de la répétitivité des résultats est de l'ordre de ± 3%.

Durant ces années doctorales, la formation et le mouvement des grandes bulles « Fortin » ont été étudiés par l'entremise de la modélisation physique et numérique. L'influence de ce type de bulles sur la couche gazeuse présente dans le procédé d'électrolyse de l'aluminium a aussi été quantifiée. Dans un premier temps, la morphologie de la bulle « Fortin », qui se forme sous une surface solide légèrement inclinée, a été étudiée dans un modèle physique à eau ainsi que par modélisation numérique. Cette étude a permis de découvrir que la bulle « Fortin » était formée par une onde gravitationnelle. Les dimensions et la vitesse de la bulle « Fortin » ont été mesurées en fonction du volume de la bulle et de l'angle d'inclinaison de la surface. Deux équations ont été développées afin de prédire le volume d'une bulle « Fortin ». Lors de ces études, une large bulle se mouvant sous une surface inclinée fut, pour une première fois dans la littérature, simulée numériquement. Les résultats obtenus concordent avec les mesures expérimentales. D'autre part, la formation et le mouvement de larges bulles de dioxyde de carbone, se déplaçant dans la cryolithe liquide, ont aussi été simulés. L'effet de la bulle « Fortin » sur la couche gazeuse et sur l'écoulement engendré par les bulles a été étudié expérimentalement dans un modèle physique à eau. Trois régimes d'écoulement sous l'anode, différenciés par le taux de génération de gaz, ont été déterminés. Une corrélation entre la hauteur moyenne de la couche gazeuse et la position sous l'anode a été développée. Le volume de gaz accumulé sous l'anode peut être calculé avec cette équation. La hauteur maximale de la couche gazeuse a été mesurée et ce chiffre à 2 cm en raison de la présence de la bulle « Fortin ». De plus, la hauteur moyenne de la couche gazeuse a été mesurée et s'est avérée supérieure aux valeurs présentes dans la littérature. H a été possible d'observer que les grandes bulles se fractionnent toujours en deux ou plusieurs bulles juste avant de quitter la surface de l'anode. La sortie des grandes bulles engendre une augmentation du transfert de quantité de mouvement dans la cuve. Le mouvement de la couche liquide dans la cuve a été étudié par la technique PIV. Ces expérimentations démontrèrent que la taille et la forme des bulles jouent un rôle très important sur le transfert de quantité de mouvement. L'influence des bulles « Fortin » sur le transfert de quantité de mouvement est plus importante que celle des petits bulles. Les bulles de type « Fortin » engendrent un intense transfert de quantité de mouvement dans le liquide, lequel participe à l'homogénéisation du champ de température et à l'augmentation du transport de masse dans la cuve.

As in many thermal processing technologies, there is a delicate balance between productivity and quality during ingot cooling process. Higher cooling velocities increase productivity but also create higher temperature gradients inside the ingot. Such a fast cooling does not leave sufficient time to establish the equilibrium within the solid, thus in the most affected surface layer the composition and crystalline structure are different from those in the bulk metal. The heat flux plays a particular role for the production of alloys where different melting points and complex structure formation -depending on the temperature- are present. To prevent the two worst cases - cracking and remelting - during cooling a balance has to be found between good productivity and quality on the one side but also a high security on the other side. To avoid the negative effects of cracking and remelting, it is necessary to determine the heat flux as a function of the influencing parameters and to control the cooling in order to obtain a maximal productivity with the required quality. There is no widely accepted method for the quantitative characterization of the cooling capacity of the water. The cooling may be characterized by the heat transfer coefficients measured in different boiling regimes on the surface or directly by the heat flux. As the fluid flow and heat transfer phenomena are very complicate in the falling liquid-vapour film, using the heat transfer coefficients does not necessarily help the understanding of the underlying mechanisms. However, the correlation between the surface heat flux and temperature for a given surface roughness and water quality includes all the relevant information about the cooling process. Thus in the present project our main objective was to determine the surface heat flux for a water cooled ingot as a function of the water quality in order to provide a tool for assuring a uniform quality in the cast-shop. A further objective was to improve the understanding of the flow of boiling liquid film along a solid surface. The first challenge in the project was the development of a surface temperature and heat flux measurement method which does not disturb the ingot surface. A heat flux sensor attached onto the surface would have negative effects on the film-nucleate boiling process and increase the surface roughness that affects the nucleation of bubbles. Furthermore it was important that the measurement method be fast responding and sensitive enough to detect very rapid and weak variations in the surface temperature. Thus an innovative surface temperature sensing method - using an open-tip thermocouple - was developed. This sensor was inserted into a null-point cavity from the backside of the aluminium ingot. The open-tip sensor combined with the null-point cavity forms a null-point calorimeter. Using the inverse solution of the general heat conduction equation, it is possible to determine the surface heat flux from the measured temperature history. For the analytical solution of the heat conduction equation in one dimension we used the so called Cook-Felderman equation. It was also investigated how well the assumptions of the Cook-Felderman equation are applicable to the actual conditions in our experimental setup. For this purpose a computer program was developed. The algorithm uses the finite volume approach; the program was written in C++ and calculates the transient 2D temperature distribution in the solid sample. The two-dimensional model uses the measured temperature histories as boundary conditions. The computer predictions were used to determine the horizontal and the vertical heat flux components during the cooling process. Furthermore it was analyzed how the heat flux results obtained analytically by the Cook-Felderman equation compare to the more detailed numerical solutions. The cooling process is strongly influenced by the different water types and different ingot surfaces. Thus the investigations were focused on the difference between several water types such as tap water (conductivity: 90fiS), plant water (conductivity: 1900/uS') and water with higher conductivity (conductivity: 3200/uS). These water types were tested on different ingot surfaces to eliminate the influence of the surface structure. In addition, the effects of some water additives and a water-oil mixture on the surface heat flux were investigated. The surface temperature measurements were accompanied by a visualization of the surface boiling effects. Furthermore the difference between different ingot surfaces was analyzed. The tests made on machined and a rough surface ingots provided information about the differences in the temperature cooling curves as well as information about the structure of the cooling water film. All collected measurement and visualization data were analyzed to explain the surface flow and boiling effects during the cooling process. The dynamic structure of the falling water film was investigated. Certain characteristics in the temperature cooling curves can be explained with the structure of the water film. We achieved a very good experimental repeatability. We found that the repeatability of the boiling phenomena itself depends on the measurement position (height along the ingot). It was observed that there are more fluctuations on a machined ingot than on a rough surface ingot. Even two different rough plates have different heat flux results. The tests using different water types have shown that there is almost no difference between tap and plant water, neither on a machined nor on a rough ingot. A difference could only be found between tap water and high conductivity water.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour objet l'étude expérimentale de la cinétique de dissolution de l'alumine. Depuis plus de cent ans, le procédé Hall-Héroult est utilisé pour produire de l’aluminium et est, à ce jour, le seul procédé utilisé à l’échelle industrielle. Le procédé consiste à faire l'électrolyse d’alumine granulaire dissoute dans un bain à base de cryolite fondue. Deux des étapes cruciales du procédé industriel sont l’injection et la dissolution de l’alumine dans le mélange électrolytique à base de cryolithe. L’étude des mécanismes de l’injection et de la dissolution de l’alumine est un sujet qui a été largement traité par les scientifiques depuis les cinquante dernières années. Les conditions d’opérations extrêmes d’une cuve de production d’aluminium ont obligé les scientifiques à développer des montages expérimentaux pour étudier le mécanisme de la dissolution de l’alumine. Cependant, les montages expérimentaux réalisés par les chercheurs n’offrent pas une représentativité du procédé industriel suffisante pour pouvoir accorder une confiance complète aux résultats obtenus. La compréhension du mécanisme de la dissolution de l’alumine dans une cuve industrielle est donc incomplète, malgré le fait qu’il s’agisse d’une des étapes critiques de la production de l’aluminium. Le projet RDCell est réalisé par le Groupe de recherche en ingénierie des procédés et systèmes (GRIPS) de l’Université du Québec à Chicoutimi en partenariat avec RioTintoAlcan et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG). Le projet a notamment comme objectif d’améliorer les connaissances fondamentales de la dissolution de l’alumine dans une cuve d’électrolyse Hall-Héroult en utilisant des méthodes expérimentales. Afin de se démarquer des autres recherches publiées sur le sujet et d’augmenter considérablement la représentativité des conditions d’opérations d’une cuve de production d’aluminium industrielle, le montage expérimental conçu et utilisé durant le projet possède des dimensions considérablement plus grandes que tout ce qui a déjà été fait auparavant dans le monde. En plus du montage expérimental unique, différentes méthodes d’analyse du mécanisme de dissolution de l’alumine ont été développées. Trois types de techniques ont été conçus et utilisés pour étudier le phénomène : l’échantillonnage du bain, les techniques électroanalytiques et les techniques de visualisation. Depuis le début du projet, de nombreuses campagnes de prises de mesures expérimentales ont été effectuées et les résultats obtenus ont permis d’améliorer les connaissances fondamentales de la dissolution de l’alumine dans une cuve d’électrolyse Hall-Héroult. L’introduction du sujet, la description de la problématique, la description de la méthodologie utilisée ainsi que la description, la présentation et l’analyse des résultats obtenus avec les trois types de techniques de mesure sont présentées dans ce mémoire de maîtrise.

L'évolution des recherches sur les matériaux métalliques notamment dans le domaine de fabrication des pièces mécaniques automobiles ne cesse d'avancer, cela est en grande partie dans l’objectif d'améliorer et surtout d'alléger ces composants, ce qui par conséquent mène à des avantages multiples, entre autres, à réduire la consommation du carburant et à augmenter la puissance. Ceci a mis en sorte que les alliages d'aluminium soient les premiers à être exploités et qualifiés au rôle de substituant des aciers. La diversité des propriétés physiques et mécaniques de ces alliages a imposé à l’industrie de développer une panoplie de procédés de fabrication y compris le procédé du moulage par voie semi-solide. Contrairement au moulage conventionnel, les pièces moulées de cette façon permettent d’améliorer la qualité métallurgique des pièces de fonderie. Le principal avantage de ce type de moulage est de réduire la contraction à la solidification. Les pièces produites contiennent normalement moins de retassures que les pièces moulées à l’état liquide. De plus, la microstructure de ces pièces moulées en semi-solide est globulaire ce qui les distingue des pièces moulées en coquille qui disposent d'une microstructure purement dendritique. Le procédé SEED (Swirled Enthalpy Equilibration Device) du moulage semi-solide a l’avantage de fournir des pièces mécaniques en aluminium qui travaillent continuellement en dynamique. D’ailleurs, cette étude a pour but de valider davantage ces informations par l'étude de la résistance sous l'effet des efforts de fatigue des bras de suspension conçus en alliage d’aluminium A357 semi-solide selon le procédé SEED. La réalisation de ce projet est accompagnée de trois grands axes d'études ; numérique, analytique et expérimental. La caractérisation mécanique des premiers bras de suspension réalisée au départ a révélé que les propriétés désirées n'ont pas été atteintes. Les analyses ont montré que la cause principale demeure dans le point faible du moulage semi-solide, c'est-à-dire non seulement dans sa difficulté de couler à travers les épaisseurs minces, mais aussi le problème de la formation des replies dans le cas d’une géométrie complexe. C'est pourquoi, une procédure de modification sur la géométrie du bras de suspension a été établie. Le but consiste à établir une meilleure conception d'une manière à remédier aux mauvais effets des nervures lors du moulage semi-solide tout en conservant à la fois la même résistance mécanique ou plus élevée et un poids égal ou inférieur. La modification de la pièce était effectuée à l'aide de logiciel de conception SolidWorks, l'évaluation des contraintes avec Abaqus, et la simulation de l'écoulement avec ProCast. À la fin, trois conceptions ont été proposées, nous avons conclu, qu'un bras de suspension sans nervures avec une toile centrale conçue sous forme de Z est de loin la conception optimale. Ceci est vu que son poids est proche de celui de la pièce originale et que la contrainte maximale pour une même force appliquée lui est semblable selon les deux directions simulées, en plus l’écoulement lors du moulage est plus uniforme avec une turbulence minime. Le côté analytique évoque une étude présentative des modèles mathématiques développés pour le calcul des durées de vies en fatigue, cette partie est consacrée à l'analyse de ces méthodes de calcul qui lient généralement le nombre de cycles N aux contraintes et aux déformations. L'objectif est de choisir la relation la plus appropriée à notre cas et de l’appliquer sur le modèle du bras de suspension disponible. Les formulations étudiées sont soit des approches en déformation, en contrainte ou énergétiques. Il a fallu donc trouver une qui soit applicable d'une manière directe sans modification, le cas idéal, ou sinon indirecte avec les modifications nécessaires tout en respectant l'alliage d'aluminium utilisé, le procédé du moulage adopté et les conditions des essais expérimentaux prévus. Au final, nous avons opté pour la formulation proposée par Manson Coffin-Basquin, ce modèle a été choisi pour les raisons suivantes: il répondait le mieux à notre situation en terme de convenance d’une part, de simplicité d’application et de disponibilité de données d'une autre part. Il relie le nombre de cycles Nf à la déformation totale Ɛt. La technique de calcul proposée à six paramètres d'écrouissage intrinsèques à l'alliage voulu, le A357 dans notre cas, les paramètres sont (b, c, έf, σʹf, Hʹ et nʹ.). L'identification de ces derniers est obligatoire. Pour commencer, les exposants et le coefficient de résistance à la fatigue ont été tirés d'une manière expérimentale. Par la suite, une technique mathématique par extrapolation a été utilisée pour le reste des coefficients. Les nouveaux paramètres calculés ont montré une conformité de la courbe de fatigue analytique par rapport à la courbe expérimentale réalisée sur les échantillons du même alliage d’aluminium. Finalement, les caractéristiques microstructurales de l’alliage du bras de suspension sous un traitement thermique T6 sont étudiées à l'aide des microscopes optique et électronique à balayage. Les résultats révèlent effectivement que le rhéomoulage est une technique fructueuse dans la production d'une microstructure optimale offrant par conséquent une excellente combinaison de qualité et de tenue en fatigue. La technique de moulage semi-solide conduit à la sphéroïdisation, le silicium eutectique aciculaire et la phase intermétallique Fe-π ainsi qu'à produire presque pas de défauts microstructurale (c'est-à-dire moins de porosités et d'oxydes). The evolution of research on metallic materials, particularly used in the manufacture field of automotive mechanical parts, continues to advance; this is often largely the objective of improving and alleviating these components, which by role lead to multiple benefits, of these, to reduce fuel consumption and increase power. This sense has set the aluminum alloys as first choice to be used and qualified by its role for replacing steel. The diversity of physical and mechanical properties of Aluminum alloys leads, in industry, to develop a variety of manufacturing processes including the casting process by semi-solid route. Unlike conventional casting technique, the semi-solid process improves the metallurgical quality of castings. The main advantage of this type of molding is to reduce the contraction during solidification; the parts produced normally contain fewer voids defects when solidified from the liquid state. In addition, the microstructure of the semisolid casting parts is globular which specifies the parts of shell casting which have a purely dendritic microstructure. The process SEED (Swirled Equilibrium Enthalpy Device) of semi-solid casting has the advantage of providing mechanical aluminum parts working continuously in dynamic. Moreover, this study aims to further study the fatigue characteristics and design analysis of the lower suspension arms produced by semi-solid A357 aluminum alloy using the SEED process. The realization of this project is accompanied by three main areas of study: numerical, analytical and experimental. The mechanical characterization of the first suspension arm formed initially found that the desired properties have not been achieved. Analyses showed that the main reason lies in the weak points of the semi-solid casting process, i.e., as in its difficulty to flow through the thin thicknesses in the case of a complex geometry. That is the cause to establish a design modification procedure on the geometry of the suspension arm. The main objective is to establish a better design in a way to avoid this problem occurred in the ribs when casting it in the semi-solid state while keeping the same or higher mechanical resistance with equal or lower weight. The design modification of parts was carried out by using SolidWorks design software, evaluation of constraints with Abaqus, and simulation of flow with ProCast. Regarding to the three proposed designs, it has been concluded that the modified suspension arm, without ribs and with a central canvas designed as Z, is by far the perfect design obtained; The weight of modified real part is close to that of the original part in addition to the high uniform and minim turbulence of molten metal flow during casting process. The analytical study representing mathematical models was developed for the calculation of fatigue life of lower arm suspension system; this part is devoted to the analysis of these calculation methods which bind generally the number of cycles N to the constraints and distortions. The objective is to select the mathematical relationship which is more appropriate to the case study and to apply it on the suspension arm model. Regarding to the formulations studied, either of the approaches in deformation, in constraint and/or energy, it has been necessary therefore to find which formulation is applicable, with or without required changes, while respecting the aluminum alloy, the process of casting and the conditions of the experimental trials planned. Relating to this study, it has been selected the formulation proposed by Manson Coffin-Basquin; this model has been selected precisely in terms of convenience, simplicity of its application and availability. It relates the number of cycles Nf with the total deformation Ɛt . The calculation technique has proposed six parameters of intrinsic work hardening of alloys investigated, A357 alloys; the parameters are (b, c, έf, σʹf, Hʹ and nʹ). The identification of these parameters is mandatory, to determine the fatigue resistance coefficient using the fatigue experimental method; a mathematical technique by extrapolation was used for determining the rest of the coefficients. The new calculated parameters have shown a compliance of the fatigue curve by analytical study to the experimental curve carried out on the samples of the same aluminum alloy. Microstructure characteristics of semisolid A357 castings under T6 heat treatment conditions are examined using scanning electron microscope. The results show that the rheocasting technique has proven successful in producing optimum microstructure providing an excellent combination of quality index and fatigue performance. The semisolid casting technique leads to spheroidizing of acicular eutectic Si and π-Fe intermetallic phases as well as producing near to free defects microstructure (i.e. porosity and oxides)

Une nouvelle méthode de transfert de chaleur radiatif est développée. Cette méthode, appelée plans imaginaires, est en fait une simplification de la méthode de zones. La méthode est développée en trois dimensions et pour toute fournaise de géométrie cartésienne. La méthode de Monte-Carlo est utilisée pour le calcul des aires d'échange direct. La nouvelle technique (plans imaginaires) est utilisée de trois façons différentes pour simuler un four de refonte. La première consiste â équilibrer des équations de bilan d'énergie pour calculer les températures internes du four. Ce modèle nécessite de la part de l'utilisateur l'imposition d'un champ de vitesse et de combustion. La seconde consiste à coupler la méthode avec le logiciel PHOENICS, qui résout les équations de conservation en régime permanent. La troisième est similaire à la seconde, mais cette fois les équations de conservation sont résolues en régime transitoire. Pour ces deux couplages, le logiciel PHOENICS résout les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement, de l'énergie, de la turbulence et des espèces chimiques tandis que la méthode des plans imaginaires calcule les flux de chaleur radiatifs et les températures de réfractaires. La vérification des résultats du présent modèle est effectuée à l'aide de la méthode de zones. Cette vérification démontre la précision et la rapidité de la méthode des plans imaginaires.