Développement d'un modèle thermodynamique pour les alliages d'usinage Al-Mg-X(X=Bi, Pb, Sn) afin d'optimiser les teneurs en Bi, Pb et Sn

L'adoption à grande échelle des alliages d'aluminium est principalement due à leur résistance mécanique spécifique supérieure. Celle-ci menant à des réductions significatives des besoins énergétiques pour tout système en mouvement. De plus, leur facilité de mise en forme par coulée due à leur relativement bas point de fusion, contribue à la substitution des alliages ferreux coulés au profit de ceux à base d'aluminium. Pour accompagner cette transition et comme l'aluminium est particulièrement ductile, les propriétés de décolletage doivent être améliorées. Ces besoins spécifiques sont obtenus en combinant des éléments supplémentaires (c.-à-d. bismuth, plomb et étain) dans les alliages déjà optimisés pour les propriétés mécaniques (c.-à-d. cuivre, magnésium, zinc et silicium). La présente étude se concentre sur la modélisation thermodynamique des interactions entre ces deux catégories d'éléments : les additifs d'usinage et les éléments d'alliage. Les systèmes binaires Al-Pb, Al-Bi, Al-Sn, Mg-Bi, Mg-Pb, Mg-Sn ainsi que les systèmes ternaires incluant ces éléments seront évalués dans ce travail. Certaines des interactions, par exemple celles entre le magnésium et le bismuth, peuvent former des composés intermétalliques qui affectent très fortement les propriétés mécaniques finales de l'alliage ou affectent les limites de solubilités dans le système global plus complexe. Afin d'évaluer ces interactions, plusieurs méthodes ont été employées mais une des plus intéressantes de ce travail est l'évaluation de l'enthalpie de mélange à faible dissolution des éléments Bi, Pb et Sn dans l'aluminium à l'aide de calculs DFT. Ces calculs n'avaient pas encore été employés pour ces trois systèmes binaires. Les résultats se sont avérés être utiles comme première évaluation des interactions métalliques présentes. De plus, des données thermodynamiques plus classiques telles que les données composition-température, activité de solution et enthalpie de mélange des systèmes Al-Bi, Al-Pb, Al-Sn, Al-Bi-Pb, Al-Bi-Sn et Al-Pb-Sn ont été utilisées pour modéliser les interactions thermodynamiques. La dernière méthode, semi-novatrice, tente de déterminer la teneur maximale en plomb et en bismuth dans l'aluminium à l'aide de données de résistivité électrique. Après le développement des bases de données thermodynamiques par les données obtenues des systèmes aluminium, plomb, étain et bismuth, une base de données préexistante incluant le magnésium et les trois additifs d'usinage, ainsi que les éléments Cu, Si, Zn et Fe, a été employée pour développer un outil propice à l'évaluation de l'usinabilité des alliages de décolletage typiquement trouvés en industrie. Au bout du compte, la modélisation plus complète de toutes possibles interactions entre tous les éléments améliorera les coûts de production et les propriétés mécaniques des futures générations d'alliages d'aluminium usinés.

Abstract

With a superior specific mechanical strength, it is understandable why aluminum is a metal so widely used. Its lightweight allows for energy savings where parts need to be rotated or translated in machines and structures since a smaller amount of mass needs to be displaced. Furthermore, their ability to be more easily machined into complex shapes allows the substitution away from the ferrous alloys. To improve the machining of this light metal, elements such as bismuth, lead or tin can be added to alloys where copper, magnesium, zinc and silicon are used to improve the mechanical properties. The present work concentrates on the thermodynamic modelling of the interactions between machining additives and alloying elements. The binary systems Al-Bi, Al-Pb, Al-Sn, Mg-Bi, Mg-Pb, Mg-Sn as well as the ternary systems including these elements will be evaluated in this work. Two interactions can be obtained in these systems. Some of the interactions, as is the case for the Mg-Bi system, can form intermetallic compounds which potentially affect the mechanical properties of the alloys as well as the solubility limits of the machining additives in the global system. To evaluate such interaction, multiple methods have been used. One of the most interesting methods in this work is the use of DFT to evaluate the partial molar mixing enthalpy of bismuth, lead and tin in aluminum. These types of calculations have not been previously used in these binary systems. The results prove to be a good first estimate of the partial molar mixing enthalpy. Furthermore, more classical thermodynamic data were used to model the interactions in the Al-Bi, Al-Pb, Al-Sn, Al-Bi-Pb, Al-Bi-Sn and Al-Pb-Sn systems. The last method to obtain thermodynamic data was to employ resistivity data of lead and bismuth at small mass percentage in aluminum. Once the thermodynamic data were obtained for the Al-Pb-Bi-Sn system, a pre-existing database including Cu, Si, Zn and Fe was used to develop a tool to evaluate the machinability of the aluminium alloys. With that in mind, the global interactions between all the elements in this complex multi-component system will allow for cost reductions in the production of such alloys and improvement in mechanical properties of the machined alloys.