Les textes et illustrations sont une reproduction dèle et respectent … · 2016-12-07 · TITRE...

Les textes et illustrations sont une reproduction dèle et respectent en tous points les travaux des étudiants.The texts and illustrations herein are accurate, faithful reproductions of the students' work.

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Résumé en anglaisRésumé en français

Les textes et illustrations sont une reproduction dèle et respectent en tous points les travaux des étudiants.The texts and illustrations herein are accurate, faithful reproductions of the students' work.

TABLE DES MATIÈRES / TABLE OF CONTENTS

Introduction / Introduction

Préface / Preface

Conférences / Lectures

Production de l’aluminiumAluminium Production

Nouveaux produits et matériaux à base d’aluminiumNew Aluminium Based Products and Materials

Développement, optimisation et intégration des procédésde fabrication et de conceptionDevelopment, Optimization and Process Integrationof Manufacturing and Design

Remerciements / Acknowledgements

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Les Presses de l’aluminium637, boulevard Talbot, Chicoutimi (Québec) Canada - G7H 6A4

Téléphone : (418) 545-5520 • Télécopie : (418) 693-9279Site Internet : www.pral.ca

Distribution au Canada / Distributed in CanadaLes Presses de l’aluminium

637, boulevard Talbot, Chicoutimi (Québec) Canada - G7H 6A4Téléphone : (418) 545-5520

Recherche au contenu / Content researchAndréanne Bernatchez

Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL

Montage graphique / Graphic assemblyMarianne Parent, technicienne en multimédia

Centre québécois de recherche et de développement de l’aluminium

Traduction de la préface / Preface TranslationMireille Clusiau, agente d’information

Centre québécois de recherche et de développement de l’aluminium

Correction / Correction Donia Bergeron, coordonnatrice

Anne-Michèle Tremblay, secrétaire-comptableLes Presses de l’aluminium

Coordination / CoordinationDonia Bergeron, coordonnatrice

Les Presses de l’aluminium

Impression / PrintingICLT solution impressions inc.

Tous droits réservés. Sauf à des fins de citations, toute reproduction d’un extrait quelconque de ce livre, par quelque procédé que ce soit,et notamment par photocopie, est strictement interdite sans la permission écrite de l’éditeur.

All rights reserved. Other than for purpose of citation, all reproduction of any part of this book, by any process and in particular photocopying,is strictly forbidden without the permission of the publisher.

Imprimé au Canada / Printed in Canada© Les Presses de l’aluminium, 2011

Dépôt légal - Bibliothèque nationale du Québec, 2011 / Copyright - Quebec National LibraryDépôt légal - Bibliothèque nationale du Canada, 2011 / Copyright - Canadian National Library

ISBN 978-2-923-168-17-3

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Fruit d’un dur labeur de la part des étudiants et étudiantes du REGAL, cette encyclopédie regroupe des affiches scientifiques et des résumés de conférences synthétisant les recherches de haut niveau supervisées par les membres du Centre de recherche sur l’aluminium – REGAL. Ces travaux, qui portent tous sur des thématiques liées à l’aluminium, ont été présentés lors de la Journée des Étudiants du REGAL (JER) le 26 octobre 2010 à l’Université Laval.

La JER, activité phare de la programmation du REGAL, présente chaque année une vue d’ensemble de la recherche universitaire effectuée dans le domaine de l’aluminium au Québec. Elle offre également l’opportunité aux acteurs de l’industrie de l’aluminium de rencontrer des candidats et candidates pouvant éventuellement combler leurs besoins. Au fil des ans, cette journée a su devenir un événement attendu dans le milieu. Pour preuve, l’édition 2010 a attiré près de 200 personnes!

L’activité avait aussi pour but de souligner l’excellence du travail de nos étudiants et étudiantes. Treize bourses totalisant 11 000 $ ont ainsi été remises à ceux et celles qui se sont distingués pour la qualité de leur travail. Je tiens d’ailleurs à remercier les entreprises et organismes qui ont contribué financièrement à ces prix : Alcoa Canada, Alouette, l’Association de l’aluminium du Canada (AAC), Bombardier Aéronautique, le Centre québécois de recherche et de développement de l’aluminium (CQRDA), Hatch, Hydro Québec, Rio Tinto Alcan et le Fonds québécois de recherche sur la nature et les technologies (FQRNT) via le REGAL. Je remercie également nos partenaires qui, grâce à leur soutien financier, ont assuré la tenue de la JER 2010 : AAC, Alcoa Canada, Rio Tinto Alcan et le REGAL.

Enfin, je souhaite également remercier les personnes qui ont grandement contribué à faire de cet événement une réussite : Mme Lyne Dupuis, M. Xavier Elie-dit-Cosaque et M. Patrice Goulet.

This Encyclopedia, which is the fruit of the dedicated efforts of the students at REGAL, is a compendium of scientific posters and abstracts of papers summarizing high-level research supervised by members of the Aluminium Research Centre – REGAL. This work, covering all subjects related to aluminium, was presented at the REGAL Students’ Day (JER) on October 26, 2010, at Université Laval.

JER, the flagship activity of REGAL’s program, presents an annual overview of academic research in the field of aluminium in Québec. It also gives players from the aluminium industry the opportunity to become acquainted with candidates who may eventually meet their staffing needs. Over the years, this event has become very popular in the industry. As a proof, the 2010 edition attracted close to 200 people!

The purpose of the event is also to recognize the excellence of the work done by our students. This year 13 fellowships totalling $11,000 were awarded for outstanding work. I would like to thank the companies and organizations that helped finance these awards: Alcoa Canada, Alouette, the Aluminum Association of Canada (AAC), Bombardier Aerospace, the Aluminium Research and Development Centre of Québec (CQRDA), Hatch, Hydro-Québec, Rio Tinto Alcan and the Fonds québécois de recherche sur la nature et les technologies (FQRNT) through REGAL. I’m also grateful to our partners whose financial assistance made it possible to hold JER2010: AAC, Alcoa Canada, Rio Tinto Alcan and REGAL.

Finally, I would also like to thank Lyne Dupuis, Xavier Elie-dit-Cosaque and Patrice Goulet, who were instrumental in making this event a success.

Daniel LaroucheProfesseur, Sc. A., M. Sc., Ph. D., Université Laval

Professor, ScA., MSc., PhD., Eng, Laval University

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En 2004, sous l’initiative du Centre québécois de recherche et de développement de l’aluminium (CQRDA), la toute première parution de l’Encyclopédie de la recherche sur l’aluminium au Québec. Notre objectif de départ était d’avoir un outil de référence faisant état des recherches universitaires de pointe dans le domaine de l’aluminium au Québec. Nous voulions simplement conserver une trace de ces travaux. Nous n’avions aucune autre prétention, car nul ne pouvait prédire que cette publication serait présentée l’année suivante et encore moins qu’elle durerait dans le temps. Nous sommes très heureux de vous présenter l’Édition 2010, la 7e édition.

Aussi, à notre connaissance, aucun autre secteur industriel ne peut se prévaloir d’un ouvrage de ce genre. La maison d’édition Les Presses de l’aluminium (PRAL) est fi ère de témoigner de la réussite de nos étudiants et chercheurs, de mettre en évidence, par cette collaboration une synergie exceptionnelle entre le monde de la recherche scientifi que de haut niveau de nos universités québécoises, les instituts de recherche gouvernementaux, les divers programmes ministériels, la grande entreprise d’ici et d’ailleurs dans le monde tout comme l’implication de la PME. Tous associés avec comme but ultime, la promotion de la recherche, une implication essentielle à l’avenir de notre industrie.

Nous avons pris de l’expérience au cours de ces sept dernières années, à un point tel que nous avons créé créneau qualifi é par plusieurs d’outil de prestige. Distribué à plus de 500 exemplaires au Québec, au Canada, aux États-Unis, au Mexique et même en Chine, auprès de toutes les instances gouvernementales, tout est mis en œuvre pour assurer un rayonnement exemplaire. Ce qui m’a fait dire à maintes reprises que l’Encyclopédie est pour tous les étudiants qui y contribuent, une carte de visite unique en son genre et pour l’industrie de l’aluminium une vitrine technologique remarquable.

In 2004, at the initiative of the Centre québécois de recherche et de développement de l’aluminium (CQRDA), was published the fi rst ever version of the Encyclopaedia of Research on Aluminium in Quebec. Our objective was to off er a reference tool exposing Quebec’s most important university research fi ndings in the aluminium fi eld. Our goal was simply to keep a lasting trace of those fi ndings. We did not aspire to anything else, since nobody expected to see this experience renewed, even less to see it become a yearly publishing. Nevertheless we are now pleased to introduce the Encyclopaedia’s 2010 Edition, the 7th of this series.

To our knowledge, no other industry has access to such a reference work. Les Presses de l’aluminium is proud to have had the opportunity to display the successes of our students and researchers and to expose, with this unique collaboration, the work of synergy between the high level scientifi que research circle of Quebec’s universities, government’s research instituts, several ministerial programs, great international aluminium entreprises, as well as the implication of the PME. They are all bearing an ultimate common goal which is the promotion of scientifi c research in the fi eld of aluminium, an essential involvment insuring the future of our industry.

We have grown in experience in the last seven years, so that we are able to deliver a high rank quality product that is described by many as a prestigious tool. Five hundred copies of this work are distributed in Quebec, Canada, the United States, Mexico and in China, to several governmental institutions in order to maximize its impact. I often say that the Encyclopaedia constitutes, for the students who take part in it, a unique visiting card and for the aluminium industry, a remarkable technological showcase.

Lucien GendronPrésidentLes Presses de l’aluminium (PRAL)

Directeur général,Centre québécois de recherche et de développement de l’aluminium (CQRDA)

President,Les Presses de l’aluminium (PRAL)

General Director,The Aluminium Research and Development Centre of Quebec (CQRDA)

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CARACTÉRISATION DES ÉMISSIONS DES NANOPARTICULES : APPLICATION À L’USINAGE À HAUTE VITESSE ET À SEC DES ALLIAGES D’ALUMINIUM

La qualité de l’air intérieur est un sujet émergeant en lien direct avec l’exposition des travailleurs à la pollution de l’air intérieure. Elle est progressivement devenue un sujet de préoccupation majeur sur le plan scientifi que, mais aussi au niveau des instances gouvernementales. Les procédés de fabrication génèrent des particules métalliques dont la majorité est de taille nanométrique. Ces particules ultrafi nes peuvent être nocives à la santé des opérateurs de machine-outil si ces derniers ne sont pas convenablement protégés. L’usinage à sec des alliages métalliques, comme les alliages d’aluminium, adopté par l’industrie manufacturière a des avantages sur la productivité, l’environnement et sur les coûts de fabrication. Malgré l’utilisation de ce procédé qui élimine la production des aérosols liquides, l’aérosol solide est produit. Ces particules constituent un ensemble hétérogène dont la taille varie de quelques nanomètres à une dizaine de micromètres. Leurs variétés morphologiques compliquent la description des caractéristiques des particules et les études sur les émissions. L’information de la taille réelle des particules est d’une importance fondamentale. Tandis que dans une recherche fondamentale, la mesure permet de comprendre les conditions d’observation d’un phénomène et d’établir si les résultats obtenus sont signifi catifs. Le présent travail vise à éclaircir ce problème de correction des donnés obtenues par les instruments de mesure des particules ultrafi nes. Une enceinte est utilisée afi n d’enfermer le volume d’air qui contient les particules émis par le procédé d’usinage. L’échantillonnage est assuré par un pompage ou aspiration de l’air provenant de la zone de coupe. Le but de ce travail est de développer une méthodologie effi cace de correction des données brutes obtenues par les instruments de mesure et d’appliquer la méthode à l’étude de l’usinage des alliages d’aluminium 6061-T6, 7075-T6 et 2024-T351. Dans ce travail, on a établir une procédure de mesure des particules ultrafi nes. En plus, On a démontré qu’il existe des plages de vitesses de coupe pour lesquelles les émissions de ces particules ultrafi nes sont faibles. Ces vitesses semblent dépendre des matériaux usinés et des conditions de coupe. Enfi n, il est recommandé d’usiné à grande vitesse avec de faible profondeur de coupe, par ce que ces paramètres off rent un bon rendement économique et répond aux exigences écologiques.

CHARACTERIZATION OF NANOPARTICLES EMISSIONS : APPLICATION TO ALUMINUM ALLOYS & HIGH SPEED MACHINING

The indoor air quality is an emergent issue, directly related to worker exposure to polluted indoor air. It has been gradually became a major scientifi c and governmental. The manufacturing processes generate metallic particles which majorities of them have nanometric sizes. These ultrafi ne particles may be able to be danger for machine tool operator’s health condition. Dry machining of aluminum alloys, may reduce environmental and manufacturing costs, as comparing to lubricate machining. Although the use of dry machining eliminates the production of liquid aerosols, but solid aerosol can be still detected in machining environment. These sizes of these particles are varying from a few nanometers to ten micrometers. Their morphological varieties complicate the description of particle characteristics and emission studies. While in basic research, the measure provides insight into the conditions of observation of a phenomenon and to establish if the results are signifi cant. This work aims to resolve the data correction method applied in ultrafi ne particles measurements. A specifi c area applied to enclose the air volume containing particles emitted during machining process. Sampling is performed by air pumping from the cutting area. The study plans to develop an eff ective methodology to correct the raw particle emission data obtained during slot milling operation of 6061-T6 7075-T6 and 2024 -T351, using proposed measurements procedure. This study also determines the ranges of cutting speeds which produce lower particle emission. An indirect relationship between particle emission ranges and machined parts properties and cutting conditions. This study has shown that machining at high cutting speed and low depth of cut; produce less particle emission that can have good environmental and economical impacts.

MODÈLE ÉLECTROCHIMIQUE ET NUMÉRIQUE BASÉ SUR LA MÉTHODE DES ÉLÉMENTS FINIS POUR LE TRANSPORT DES ESPÈCES IONIQUES DANS UNE CUVE HALL-HÉROULT

Un premier modèle 2D isotherme et transitoire a été développé afi n de pouvoir modéliser la pénétration du bain cryolithique dans le bloc cathodique d’une cuve Hall-Héroult. Le modèle simule le transport non convectif des espèces ioniques. La solution dans le bain liquide est défi nie avec un modèle ionique. La diff usion et la migration des espèces ioniques sont modélisés dans les pores cathodiques ainsi que dans le bain cryolithique surnageant la cathode. L’évolution du potentiel électrique est obtenue en résolvant simultanément les équations de conservation de charge. Un modèle cinétique linéaire est utilisé pour décrire la formation électrochimique de l’aluminium métallique. Une méthode utilisant un volume homogénéisé est implanté pour modéliser le milieu poreux cathodique. L’équilibre ionique des ions aluminofl uorures est imposé par le biais d’une méthode de pénalité. Le critère d’électroneutralité a été inséré dans le système d’équation sous forme de contrainte dans la forme faible de la formulation en éléments fi nis. Ce modèle constitue une première application de la théorie des électrodes poreuses adaptée aux sels fondus pour modéliser la cathode d’une cuve Hall-Héroult. Les résultats montrent une évolution de la distribution ionique et du voltage.

A FINITE ELEMENT ELECTROCHEMICAL MODEL FOR MODELLING IONIC SPECIES TRANSPORT IN THE CATHODE BLOCK OF A HALL-HÉROULT CELL A fi rst 2D transient isothermal model was developed for the modelling of bath penetration in a Hall-Héroult cell cathode block. The model simulates the non convective ionic species transport. The molten cryolite solution system is defi ned with an ionic model. The migration and diff usion of the ionic species is followed in the cathode block pores and in an overlying bath layer. The evolution of the potential is simultaneously obtained using charge conservation equations. The model includes a linear kinetic model for the electrochemical formation of metallic aluminium. The porous cathode behaviour is modelled using v olume averaging based methods. The aluminofl uoride ionic equilibrium is implemented by the penalty method and the electroneutrality criterion as a constraint on the FEM weak form. This is the fi rst application of porous electrode theory, adapted for a molten salt, to Hall-Héroult cell cathodes. The results show the early stage evolution of voltage and ions distribution.

Djebara Abdelhakim, Riad Khettabi, Seyed Ali Niknam, Victor Songmene,École de technologie supérieure

Frédérick Gagnon, Donald Ziegler, Mario Fafard,Université Laval

PRIX CONFÉRENCE

LECTURE AWARD

CONFÉRENCESLECTURES

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REVÊTEMENT NANOSTRUCTURÉ SUPERHYDROPHOBE EN VUE D’APPLICATIONS EN AÉRODYNAMIQUE

Un revêtement à faible énergie de surface ayant une topographie optimale résultant de la présence de micro-nano-motifs développé au Centre universitaire de recherche sur l’aluminium (CURAL) en association avec le Laboratoire international des matériaux antigivre (LIMA) démontre des propriétés superhydrophobes. Ce revêtement possède un potentiel considérable dans de nombreuses applications, comme, en particulier, en aérodynamique, car il pourrait réduire signifi cativement la traînée entraînant une diminution de la consommation d’énergie. Dans le présent projet, des nanoparticules de silice ont été produites à partir d’une solution de tétraéthyleorthosilicate (Si(OC2H5)4) dans un milieu basique en utilisant le procédé Stöber modifi é. Ces nanoparticules de silice ont été modifi ées en y agglomérant des molécules de fl uorine à partir d’une solution du fl uoroalkylsilane (FAS-17). Plusieurs couches du revêtement superhydrophobe ont été déposées sur un substrat d’aluminium par enduction centrifuge. L’analyse morphologique par microscopie électronique à balayage (MEB) a révélé la présence de nanoparticules de silice réparties de façon organisée sur la surface en aluminium. La présence de composés fl uorine dans le revêtement a été confi rmée par spectroscopie de Fourier infrarouge (FTIR). Un essai de mouillabilité, où il a été observé que l’eau roulait à la surface de l’aluminium, a permis de confi rmer la superhydrophobicité du revêtement avec un angle de contact supérieur à 150°.

NANOSTRUCTURED SUPERHYDROPHOBIC COATING FOR APPLICATIONS IN AERODYNAMICS

Low surface energy coatings having an optimal topography arising from the presence of micro-nano-patterns developed in the Centre Universitaire de Recherches sur l’Aluminium (CURAL) laboratory in association with the Anti-icing materials international laboratory (AMIL) demonstrate superhydrophobic properties. These coatings have tremendous potentials in many applications, especially in aerodynamic in reducing drag and reducing energy consumption. In the present study, silica nanoparticles were produced using a solution of tetraethylorthosilicate (Si(OC2H5)4) in the base medium utilizing a modifi ed Stöber process. These silica nanoparticles were further modifi ed in the solution by adding fl uoroalkylsilane (FAS-17) molecules to incorporate fl uorine in the silica. Multilayers of the fl uorine incorporated silica nanoparticles were spin-coated onto aluminum substrates and dried below 100°C. The morphological analysis by scanning electron microscopy (SEM) revealed the presence of monodispersive well organized silica nanoparticles on aluminum surfaces. The presences of fl uorine in the coatings were confi rmed by Fourier transform infra-red spectroscopy (FTIR) analysis. The water drops were found to roll off of these surfaces and the contact angle measurements revealed water contact angle values greater than 150°.

PRÉDICTION INVERSE ET CONTRÔLE DE LA COUCHE DE GELÉE DANS LES RÉACTEURS MÉTALLURGIQUES À HAUTE TEMPÉRATURE

Une méthode inverse de transfert de chaleur permettant de prédire en temps réel l’épaisseur de gelée présente dans les réacteurs métallurgiques à haute température est l’objet du présent travail. Un fi ltre de Kalman ainsi qu’un estimateur récursif aux moindres carrés (méthode inverse) sont employés pour prédire l’épaisseur de gelée à partir de mesures thermiques (température et/ou fl ux de chaleur) provenant de capteurs localisées dans les parois du réacteur. La méthode inverse est ensuite combinée à une stratégie de contrôle qui permet de contrôler en temps réel l’épaisseur de gelée en régulant le refroidissement à l’air par convection forcée sur la paroi externe du réacteur. La prédiction inverse et la stratégie de contrôle sont validées pour des conditions d’opérations typiques présentes dans les réacteurs métallurgiques à haute température. Les résultats montrent que la diff érence entre l’épaisseur réelle de gelée et celle prédite avec la méthode inverse demeure dans tous les cas inférieure à 5%, et que la stratégie de contrôle est beaucoup plus performante lorsque la méthode inverse utilise un capteur de fl ux situé à l’interface paroi/gelée.

INVERSE PREDICTION AND CONTROL OF THE LEDGE THICKNESS IN HIGH TEMPERATURE METALLURGICAL REACTORS

An inverse heat transfer procedure for predicting the time-varying bank thickness in high temperature metallurgical reactors is presented. A Kalman fi lter combined with a recursive least-square estimator (inverse method) is employed to estimate the bank thickness from data collected by a temperature and/or heat fl ux sensor located in the reactor wall. The inverse method is then combined to a control strategy in order to control in real time the bank thickness by regulating the air forced convection cooling on the reactor external wall. The inverse prediction and the control strategy are thoroughly tested for typical phase change conditions that prevail inside high temperature metallurgical reactors. It is seen that the discrepancy between the exact and the estimated bank thickness remains smaller than 5% at all times, and that the controller performance is much better when the inverse method uses a heat fl ux sensor at the wall/bank interface.

Jean Denis Brassard, Dilip K. Sarkar, Jean Perron, Guy Fortin,Université du Québec à Chicoutimi

Marc LeBreux, Martin Désilets, Marcel Lacroix,Université de Sherbrooke


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ALLIAGES D’AL NANOSTRUCTURÉS ET NANOCOMPOSITES FABRIQUÉS PAR LE BROYAGE CRYOGÉNIQUE ET CONSOLIDÉS PAR LE FRITTAGE FLASH (SPS).

La combinaison de deux techniques versatiles: broyage cryogénique et le frittage fl ash (SPS) a été utilisé dans la présente étude pour la fabrication des pièces massives nanostructures pour les alliages Al2024 et des matériaux composites nanostructurés à matrice métallique ns (CMM)s Al-5356/B4C. Cette approche augmente les valeurs de microdureté et de résistance à la fl exion des échantillons consolidés. Le broyage cryogénique fournit l’avantage combiné de la réduction de la taille des grains de la phase d’Al dans l’alliage monolithique et les nanocomposites, ainsi que la dispersion homogène du renfort dans la matrice dans les composites. La technique SPS permet la consolidation à l’état solide en une seule étape à des taux de chauff ages rapides et des temps de séjour courts. Aucune étape de traitement supplémentaire telles que le forgeage ou extrusion à chaud n’a été nécessaire pour fabriquer les pièces massives. Les échantillons produits ont montré des densités théoriques élevées c.-à-d. 96% pour l’alliage 2024 combinées à une taille de grains de 70nm. Pour les composites, une densité théorique de 99% a été obtenue combiné à une taille de grain de 92nm. Les valeurs élevées de microdureté sont 3,8 fois plus élevées que l’alliage Al-2024. De plus, un cycle de frittage SPS en deux étapes imposé aux composites a généré des échantillons possédant une densité théorique de 100%, une taille de grain de 73nm, une microdureté de 246.5HV et une résistances à la fl exion de 710MPa. Les résultats obtenus montrent que la combinaison des deux procédés peut être appliquée avec succès pour la fabrication de pièces massives nanostructurés monolithiques ainsi que des nanocomposites à base d’Al.

NANOSTRUCTURED AL-ALLOYS AND COMPOSITES FABRICATED BY CRYOGENIC MILLING AND CONSOLIDATED VIA SPARK PLASMA SINTERING

The combination of two versatile processing routes: cryomilling and spark plasma sintering (SPS) was employed in the present study for fabrication of bulk nanostructured Al2024 alloy and Al5356-B4C metal-matrix nanocomposites (MMC). This approach resulted in large microhardness values and fl exural strengths in the consolidated samples. While cryomilling provided the combined advantage of nanostructuring of the Al-phase in both the monolithic alloy and the nanocomposite as well as a homogenous dispersion of the reinforcement in the matrix for the MMCs, the SPS facilitated the solid state consolidation in one single step at very high sintering rates and very short dwelling times. No additional processing steps such as forging or hot extrusion were necessary to achieve a well consolidated bulk part. The resulted samples exhibited high relative densities i.e. 96% for the monolithic alloy and a grain size of 70nm, as well as 99% for the MMCs at a grain size of 92nm. High values of microhardness 3.8 times higher than the monolithic micron sized un-reinforced alloy was exhibited by the Al-2024 consolidated material. Additionally a two-step SPS sintering profi le treatment applied to the MMCs resulted in 100% relative density at a grain size of only 73nm, microhardness values of 246.5HV and fl exural strengths of 710MPa. The obtained results show that the combination of the two processes could be successfully applied to fabricate nanostructured monolithic as well as nanocomposites Al-bulk parts.

Ramona R. Vintila,Alex Charest,Mathieu Brochu,McGill University

Robin A.L Drew,Concordia University

DANS LE CADRE DE SA MISSION,LA MAISON D’ÉDITION LES PRESSES DE L’ALUMINIUM (PRAL),

APPUYÉ PAR SES PARTENAIRES,LE CENTRE DE RECHERCHE SUR L’ALUMINIUM - REGAL

ET

LE CENTRE DE RECHERCHE ET DE DÉVELOPPEMENT DE L’ALUMINIUM (CQRDA),EST FIER DE SA PARTICIPATION DANS LA CONCEPTION ET LA RÉALISATION DE

L’ENCYCLOPÉDIE DE LA RECHERCHE SUR L’ALUMINIUM AU QUÉBEC - ÉDITION 2010

IN THE SCOPE OF ITS MISSION,THE PUBLISHING HOUSE LES PRESSES DE L’ALUMINIUM (PRAL),

IN PARTNERSHIP WITH,THE ALUMINIUM RESEARCH CENTRE - REGAL

AND

THE ALUMINIUM RESEARCH AND DEVELOPMENT CENTRE OF QUEBEC (CQRDA),IS PROUD OF ITS PARTICIPATION IN THE CONCEPTION AND THE REALIZATION OF

THE ENCYCLOPAEDIA OF RESEARCH ON ALUMINIUM IN QUEBEC - 2010 EDITION


12 PRODUCTION DE L’ALUMINIUMALUMINIUM PRODUCTION

Electrolytic cells in the aluminium industry consume a large amount of electric energy. The electricity circulating between the anode and the cathode provides the required energy to extract aluminium from alumina. This process requires 13 MWh of electric energy to produce one ton of aluminium. Barely more than half of this energy is used for chemical reactions. The remaining portion is lost as heat through the walls of electrolytic cells and through exhaust gas. The recovery of only a portion of this waste heat could signifi cantly increase the energetic effi ciency of aluminium industries. The waste heat that could be recovered from the cells is expected to have a temperature of about 150°C. In this project, we want to study diff erent solutions to recover a maximum proportion of waste heat from the cells. Among these solutions, we propose to use waste heat to feed other sections in the plant. We also consider the possibility of producing electricity from waste heat, and, fi nally, we propose using the heat for carbon sequestration. The purpose of the project is to study each solution and to fi nd the most effi cient ones to eventually implement in the industry.

Le courant électrique circulant entre l’anode et la cathode dans les cuves électrolytiques des alumineries fournit l’énergie nécessaire pour extraire l’aluminium de l’alumine. La production d’une tonne d’aluminium nécessite 13 MWh d’énergie électrique. À peine plus de la moitié de cette énergie est utilisée pour les réactions chimiques. La portion restante est perdue sous forme de chaleur à travers les parois des cuves et dans les gaz d’échappement. La récupération d’une portion de ces rejets thermiques pourrait augmenter signifi cativement l’effi cacité énergétique des alumineries. On estime que la température des rejets thermiques que l’on peut récupérer aux cuves est de l’ordre de 150 °C. Ce projet vise à étudier plusieurs solutions visant à tirer un maximum de profi t énergétique de la chaleur rejetée aux cuves. Parmi ces solutions, on propose d’utiliser les rejets thermiques soit pour alimenter en chaleur d’autres sections de l’usine, soit pour produire de l’électricité ou encore pour contribuer à la captation de carbone. L’objectif est de déterminer les solutions les plus effi caces afi n d’éventuellement les implanter en usine.

Benoit Allen, Louis Gosselin,

Département de génie mécanique, Université Laval

Donald Ziegler,Program Manager-Modelling, Primary Metals, Alcoa Canada

13PRODUCTION DE L’ALUMINIUMALUMINIUM PRODUCTION

In the fi eld of aluminium electrolysis, the life of an electrolytic cell is very important for many reasons. Several factors have an infl uence on this lifetime; among them, the quality of the ramming in the cell is a determining factor. The ramming, monolithic paste is vibro-compacted between the cathode blocks to seal the cell and to enable thermal dilatation of the cathodic plan without cracking. The density of the paste after compaction is standardized and must be kept within limits.

During the ramming operation, the paste density cannot be easily determined, so the operators use the rate of compaction as an indicator of the paste density. However, depending on the conditions of ramming, the compaction rate is not representative of the real density of the paste. The main purpose of this study is to develop a method for measuring the density distribution of the ramming paste and to determine its density profi le inside the joints of the cathode plan.

Dans le domaine de l’électrolyse de l’aluminium, la vie d’une cuve d’électrolyse est très importante pour une multitude de raisons. Plusieurs facteurs infl uencent cette durée de vie. Parmi ceux-ci, la qualité du brasquage de la cuve est un facteur déterminant. Lors du brasquage, de la pâte monolithique est vibro-compactée entre les blocs cathodiques afi n d’assurer l’étanchéité de la cuve et de permettre au plan cathodique de se dilater sans se fi ssurer. La densité de la pâte après compactage est normalisée et doit se trouver à l’intérieur de valeurs limites.

La problématique liée au brasquage est que les opérateurs doivent utiliser le taux de compaction étant donné que la densité est diffi cilement mesurable dans ces conditions de mise en place. Dépendamment des conditions de brasquage, le taux de compaction n’est pas toujours représentatif de la densité réelle de la pâte. Cette étude vise à développer une méthode de mesure de la distribution de densité de la pâte à brasquer et à déterminer le profi l de densité de celle-ci à l’intérieur des joints du plan cathodique.

Myriam Auclair-Gilbert,Lyne St-Georges,László Kiss,Stéphane Tremblay,Centre universitaire de recherche sur l’aluminium (CURAL), Université du Québec à Chicoutimi

Lyès Hacini,Rio Tinto Alcan

PRIX DE LA RELÈVE

RELAY AWARD


The variations in raw material properties are considered to be one of the most signifi cant challenges in the anode manufacturing industry that aff ect anode quality and consistency. Anode properties are infl uenced by several factors including material properties, anode formulation, and anode making parameters. This current research aims to defi ne specifi c paste quality indices for the purpose of reducing the infl uential parameters of anode production. These paste indices may be used as indicators of anode quality during the anode manufacturing processes. When using these indices, it is possible to consider fewer variables and to correlate material properties, paste formulation, and mixing factors with anode quality.

In the current study, anode compactability behavior obtained from the compression test was used as an index of the paste quality. This index revealed the eff ects of coke type, particle size distribution, and formulation on the formability of the paste. In addition, the shape factor and texture of coke particles were measured using an image analysis system and correlated to vibrated bulk density (VBD) of coke.

Les variations dans les propriétés des matières premières, sont l’un des nombreux défi s de l’industrie de fabrication des anodes. En eff et, ces variations aff ectent la qualité de l’anode et sa consistance. Les propriétés de l’anode sont sous l’infl uence de plusieurs paramètres: les propriétés des matières premières, la formulation de l’anode et les paramètres de fabrication de celle-ci. Le but de cette recherche est de défi nir des indices de qualité de la pâte afi n de réduire le nombre de paramètres qui infl uencent la fabrication de l’anode. Ces indices permettraient d’avoir des indicateurs intermédiaires pour mesurer la qualité de l’anode. En utilisant ces indices nous pouvons considérer moins de facteurs, car nous pouvons corréler les propriétés des matières premières, la formulation de pâte et les facteurs de mélange avec la qualité de l’anode.

Dans cette recherche, la compactibilité, mesurée par test de compression, a été utilisée comme mesure sur la pâte. Cette mesure a révélé les eff ets du type de coke, de la distribution de taille de particule et de la formulation sur la formabilité de la pâte. De plus, les facteurs de forme et de texture des particules de coke ont été mesurés par analyse d’image et ont été corrélés à la densité (VBD) du coke.

Kamran Azari, Hany Ammar,

Houshang D. Alamdari, Mario Fafard,

Centre de recherchesur l’aluminium – REGAL,

Université Laval

Donald Ziegler, Program Manager-Modelling, Primary Metals, Alcoa Canada


The contact resistance at the various interfaces of the anode blocks generates voltage drops of about 200 to 300 mV. As this contact resistance is inversely proportional to the contact pressure of the interface, it becomes important to have data on the mechanical properties of materials according to the temperature (20 to 1.000°C). This project represents the fi rst phase of a study on the contact resistance of the anode assembly. The objective of this project is to determine the thermo-electro-mechanical behaviour of the anode materials, which are carbon, cast iron, and steel. As the materials are recycled and reintroduced in the fabrication of the anodes, it will be necessary to quantify the impact of this process on the properties of materials. Mechanical tests will be realised together with metallographic analysis in order to establish the relationship between the metallurgical phenomena and the mechanical properties of materials. The results of this research will be integrated into a predictive model for the design of the anodes.

La résistance de contact aux diff érentes interfaces de l’ensemble anodique engendre des chutes de voltage de l’ordre de 200 à 300 mV. Comme cette résistance de contact est inversement proportionnelle la pression de contact de l’interface, il devient important d’avoir des données sur les propriétés mécaniques des matériaux en fonction de la température (20 à 1 000 °C). Le présent projet représente donc le 1er volet d’une étude sur la résistance de contact au niveau des ensembles anodiques. L’objectif de ce projet est de déterminer le comportement thermo-électro-mécanique des matériaux de l’ensemble anodique (carbone, fonte grise, acier). Comme les matériaux sont recyclés et réintroduits dans le processus, il faudra être en mesure de quantifi er l’impact de ce recyclage sur les propriétés des matériaux. Pour ce faire, les essais mécaniques seront jumelés avec des analyses métallographiques afi n de relier les phénomènes métallurgiques en présence avec les propriétés mécaniques des matériaux. Avec la réalisation des autres volets du projet, on vise à disposer d’un modèle prédictif pour la conception des trous d’anode.

Jens Bouchard,Lyne St-Georges,László Kiss, Daniel Marceau,Centre universitaire de recherche sur l’aluminium (CURAL), Université du Québec à Chicoutimi

Denis Laroche,Centre de recherche et développement Arvida (CRDA), Rio Tinto Alcan

Yves Caratini,Laboratoire de recherche des fabrications (LRF), Rio Tinto Alcan


Several reactions occur during the electrolysis of alumina in the Hall-Heroult process, resulting in a signifi cant overconsumption of carbon. There are two main reactions:

• The reaction of carbon with the atmospheric oxygen.• The reaction of Boudouard in which carbon reacts with the CO2 produced by the electrolytic reaction of Al2O3.

Several parameters, including raw materials, anode formulation, and structural features, may aff ect the anode reactivity. This current study aims to investigate the reactivity of carbon anode with regards to O2 and CO2, focusing on the infl uence of process parameters and baked anode structure. The main goal of the current study is to investigate the infl uence of microstructural features of the anode on its reactivity. The parameters under study are pore size and distribution, matrix/coke interface characteristics, and anode density.

Plusieurs réactions se produisent au cours de l’électrolyse de l’alumine dans le procédé Hall-Héroult entraînant une surconsommation importante de carbone. Il y a deux réactions prépondérantes :

• la réaction entre le carbone de l’anode et l’oxygène de l’atmosphère,• la réaction de Boudouard dans laquelle ce même carbone réagit avec le CO2 produit par la réaction d’électrolyse

de Al2O3.

Plusieurs paramètres, dont les matières premières, la formulation d’anode et les caractéristiques structurales peuvent aff ecter la réactivité des anodes. La présente étude vise à étudier la réactivité de l’anode en carbone à l’égard de O2 et de CO2 en se concentrant sur l’infl uence des paramètres du processus et de la structure de l’anode cuite. L’objectif principal de cette étude est de comprendre la réactivité de l’anode par rapport à sa microstructure. Le terme microstructure inclue la taille et la distribution des pores, les caractéristiques de l’interface matrice/coke, et la densité de l’anode.

François Chevarin, Hany Ammar,

Houshang Alamdari, Mario Fafard,

Centre de Recherche sur l’aluminium – REGAL,

Université Laval



The distribution and dissolution of alumina in the molten electrolyte are critical steps for the proper operation of the Hall-Héroult process. Alumina agglomerates in the electrolyte bath and on the cathode surface (sludge) have a negative impact on the productivity, the current effi ciency, and the energy effi ciency of the process. The main objective of this doctorate is to develop a mathematical model that describes the formation and the evolution of alumina agglomerates in the Hall-Héroult process. The model will include the mechanisms of heat and mass transfer from the instant of the entry of alumina into the bath to the complete dissolution. This model, to be developed by the fi nite diff erence method, will use the equivalent conductivity concept and the enthalpy method to represent diff erent physical mechanisms (phase transformation, sintering, and infi ltration by the bath). The calculations of the thermochemical equilibrium will be made by FactSage®.

La dispersion et la dissolution de l’alumine dans le bain électrolytique sont des étapes critiques au bon fonctionnement du procédé Hall-Héroult. La présence d’agrégats d’alumine dans le bain ainsi que sur la surface de la cathode («sludge») a un impact négatif autant sur la productivité, sur l’effi cacité de courant que sur l’effi cacité énergétique du procédé. L’objectif de ce projet de doctorat consiste à développer un modèle mathématique décrivant la formation et l’évolution d’agrégats d’alumine dans le procédé Hall-Héroult. Le modèle inclura les mécanismes de transfert de chaleur et de transfert de masse ayant lieu entre le premier contact de l’amas d’alumine et du bain jusqu’à la dissolution complète de l’agrégat. Le modèle développé par la méthode des diff érences fi nies utilisera le concept de conductivité équivalente ainsi que la méthode enthalpie afi n de représenter diff érents phénomènes physiques (changement de phase, frittage, infi ltration par le bain). Les calculs d’équilibre thermochimique seront eff ectués par le logiciel FactSage®.

Véronique Dassylva-Raymond,László Kiss,Sándor Poncsák,Université du Québec à Chicoutimi

Alexandre Perron,Centre de recherche et développement Arvida (CRDA), Rio Tinto Alcan


Aluminium is produced industrially from alumina using the Hall-Héroult process. This electrochemical principle takes place in an electrolysis cell where alumina is injected into a bath of molten cryolite, a highly corrosive salt, at around 1000°C. An important step of this process is the injection of alumina on the bath. The behaviour of the alumina during the injection is still subject to considerable discussion. The hostile environment around and inside the cells prevents a clear visualisation of the phenomena.

The objective of this Master’s project is to achieve the fi rst level of resolution of the problem by providing knowledge on the injection of alumina in an aluminium electrolysis cell. Simultaneously, this project aims to pave the way for further analysis on the dissolution of alumina, which may include modeling and simulation of the problem and its optimization. This project requires an experimental approach under conditions that closely mimic an industrial aluminium electrolysis cell.

L’aluminium est produit industriellement à partir de l’alumine selon le procédé Hall-Héroult. Ce principe électrochimique se déroule à l’intérieur d’une cuve d’électrolyse où l’alumine est injectée dans un bain de cryolite, un sel hautement corrosif à une température avoisinant les 1000°C. Une étape d’importance majeure de ce procédé est l’injection de l’alumine sur la cryolite liquide. Son comportement lors de l’injection reste un aspect nébuleux du procédé. L’environnement hostile autour et à l’intérieur des cuves utilisées aujourd’hui en industrie empêche d’eff ectuer une visualisation approfondie du phénomène.

Le présent projet vise donc à atteindre le premier niveau de solution du problème en fournissant une connaissance sur l’injection de l’alumine dans une cuve d’électrolyse de l’aluminium. Simultanément, ce projet vise à ouvrir la voie à une analyse plus poussée sur la dissolution de l’alumine qui pourra comprendre la modélisation et simulation du problème ainsi que son optimisation. Ce projet de maîtrise requiert une approche expérimentale sous des conditions imitant le plus fi dèlement possible une réelle cuve d’électrolyse de l’aluminium.

Emmanuel de Varennes, László Kiss,

Université du Québec à Chicoutimi

Patrice Chartrand,

École Polytechnique de Montréal

Alexandre Perron,Rio Tinto Alcan

PRIX

AWARD


The aluminium industry is in an ongoing international competition requiring the constant improvement of the electrolysis cell eff ectiveness and longevity. The selection of the cell’s material components becomes an important factor to lengthen the cell’s life. The ramming paste, used to seal the cathode lining, is compacted in the joints between the cathode and the side of the cell. It is a complex thermo-reactive material whose proprieties change with the evolution of its baking index. Therefore, the objective of this project is to propose a thermo-chemo-mechanical constitutive law for the ramming paste and to implement it in the fi nite element software ANSYS™. Subsequently, the numerical tool will be tested in a calibration phase using the inverse method. The method will be validated using the fi nite element toolbox FESh++. Finally, a validation of the model will be made on a greater scale using the experimental bench BERTA.

In the end, the numerical tool could be used in the simulation of a Hall-Héroult cell start-up.

L’industrie de l’aluminium fait aujourd’hui l’objet d’une compétition internationale féroce obligeant les producteurs d’aluminium de première fusion à améliorer l’effi cacité et la longévité des cuves d’électrolyse. En ce sens, la sélection ainsi que la qualité des matériaux composant la dite cuve deviennent donc des facteurs de toute première importance. Plus spécifi quement, la pâte monolithique, qui entre dans la préparation du plan cathodique des cuves, est un matériau qui est mis en place dans les joints par vibro-compaction et ce, afi n d’assurer son scellement. Il s’agit là d’un matériau thermo-réactif fort complexe dont les propriétés évoluent avec son niveau de cuisson. Le but du présent projet est donc de proposer une loi de comportement thermo-chimio-mécanique pour la pâte monolithique et assurer son implémentation dans le logiciel ANSYS™. Par la suite, l’outil numérique sera utilisé dans une phase de calibration afi n d’identifi er certains paramètres de cette loi par méthode inverse. Une validation de l’approche sera menée en comparant les résultats obtenus avec l’outil FESh++. Finalement, une validation de notre modèle sera réalisée à plus grande échelle considérant les résultats thermo-mécaniques obtenus sur le banc d’essai thermomécanique BERTA.

Au terme de ce projet, l’outil numérique pourra être utilisé dans le cadre de simulations numérique du démarrage des cuves Hall-Héroult.

Pierre-Luc Girard,Daniel Marceau,Lyne St-Georges, Université du Québec à Chicoutimi

Lyès Hacini,Centre de recherche et développement Arvida (CRDA), Rio Tinto Alcan


The anode baking furnace is used to give a heat treatment to the anodes in order to achieve the desired mechanical and electrical properties for the electrolysis. The anodes are not uniformly baked in the furnace; a temperature gradient of up to 100 °C can occur within a given section of the furnace. Such diff erences in baking temperatures result in a variation of the anode properties, causing various operational problems in the electrolysis cells downstream.

Modeling the anode baking furnace allows the simulation of the baking cycle and gives the opportunity to evaluate which baking parameters could be optimised in order to obtain more uniformly baked anodes. The model being implemented includes a detailed local model of a given section of the furnace coupled with a global model providing the boundary conditions to the local model. The most important phenomena are included in the local model, whereas the global model is a mass and energy balance along the entire baking cycle.

Le four de cuisson d’anodes sert à appliquer un traitement thermique aux anodes pour qu’elles acquièrent les propriétés mécaniques et électriques voulues pour l’électrolyse. Les anodes ne sont pas toutes cuites uniformément à l’intérieur d’un four, il peut y avoir des diff érences de température allant jusqu’à 100 °C dans une section donnée du four. Cette variation de température de cuisson se traduit par une variabilité des propriétés des anodes cuites, ce qui occasionne des problèmes d’opération dans les cuves d’électrolyse.

La modélisation du four de cuisson permet de simuler le cycle de cuisson et de voir quels paramètres sont susceptibles d’être optimisés afi n d’uniformiser la cuisson des anodes. Le modèle en cours de réalisation consiste en un modèle local détaillé d’une section du four couplé à un modèle global simplifi é du four, le modèle global servant à fournir les conditions frontières au modèle local. Le modèle local inclut tous les principaux phénomènes se produisant lors de la cuisson, tandis que le modèle global est un bilan d’énergie et de matière sur toute la longueur du cycle de cuisson.

François Grégoire, Centre de recherche

sur l’aluminium - REGAL, Université Laval

Louis Gosselin,Département de génie

mécanique, Université Laval

Houshang D. Alamdari,Département de génie des

mines, de la métallurgie et des matériaux, Université Laval

Donald Ziegler,Program Manager - Modeling, Primary Metals, Alcoa Canada


In the Hall-Héroult process, the reaction zone in an aluminium electrolysis cell has a unique geometry. The electric charges and metallic aluminium travel in a vertical path, whereas the alumina, heat, and gas bubbles need to follow a horizontal path. The horizontal transport of mass and energy is important in order to obtain optimal operating conditions in the cell, and the bubbles are essential to this action.

However, the movement of the bubbles also has undesirable eff ects, such as the reoxidation of the metallic aluminium and short circuits at the level of the bath-metal interface. In addition, the coalescence of bubbles leads to an increase in the ohmic resistance of the bath.

In this project, we model the hydrodynamics of bubbles under the anode bottom in order to establish a viable model for simulating the ohmic variations that can be observed in an aluminium electrolysis cell.

Dans le procédé Hall-Héroult, la géométrie de la zone de réaction d’une cuve d’électrolyse d’aluminium est particulière. Les charges électriques et l’aluminium réduit parcourent un chemin vertical alors que l’alumine, la chaleur et le gaz généré doivent parcourir un chemin horizontal. Le transport horizontal de masse et d’énergie est important pour obtenir les conditions d’opération optimale de la cuve d’électrolyse et les bulles sont l’essentiel de cette action.

Cependant, les mouvements des bulles entraînent des eff ets néfastes dans le procédé, comme la ré-oxydation de l’aluminium, des courts circuits entre l’interface bain métal et leur coalescence entrainent une augmentation dans la résistance du bain.

Dans ce projet, il est question de modéliser l’hydrodynamique des bulles sous une semelle d’anode et d’en établir un modèle valable pour simuler les variations ohmiques que l’on peut observer dans une cuve d’électrolyse d’aluminium.

René Houde,László Kiss,Sándor Poncsák,Centre universitaire de recherche sur l’aluminium (CURAL), Université du Québec à Chicoutimi

Alexandre Perron,Centre de recherche et développement Arvida (CRDA), Rio Tinto Alcan


Voltage drop in anode assembly is highly important since it is directly associated with the production costs. Up to 25% of the anodic voltage drop is attributed to steel-cast iron-carbon interfaces. An air gap at interfaces serves as resistance to thermoelectric contact, which plays a key role in the behavior of the anodic system in operation. To date, taking all the aspects necessary to study the transient behavior of the anode systems into account has been challenging. Finding the key parameters to increase the quality of materials and the performance of the entire system in operation is a complicated process due to multiplicity and complexity of the constitutive laws for each material and interfaces as well as the process itself.

The main objective of this project is to achieve to a better understanding of the thermo-electro-mechanical behavior of the anode assembly, part of the electrolytic cells used for the production of aluminium, during aluminium smelting in order to lower the anode voltage drop during its useful life. Due to its particular makeup and use, a comprehensive relevant study of the anode system particularly in the area stub/cast-iron/carbon is needed which requires the consideration of complex and interrelated thermal, electrical and mechanical phenomena. The technological objective consists of developing a validated predictive task-tool that is versatile and robust to carry our parametric and sensitivity studies of the materials, geometry and operational conditions, essential steps for designing and optimizing anodic systems.

Les chutes de potentiel dans l’ensemble anodique sont directement associées aux coûts de production. Près de 25% de la chute de potentiel anodique est attribuable aux interfaces rondin/fonte et fonte/carbone. L’espace d’air à l’interface fonte/carbone constitue une résistance de contact thermoélectrique qui joue un rôle clé dans le comportement en service du système anodique.

À ce jour, la prise en compte de tous les aspects nécessaires à l’étude du comportement transitoire des systèmes anodiques demeure complexe. L’identifi cation des paramètres clés permettant l’augmentation des performances de l’ensemble anodique est un processus compliqué en raison de la complexité du comportement des matériaux et interfaces ainsi que du procédé lui-même. Ce projet a comme principal objectif d’établir une meilleure compréhension du comportement en service du système anodique – partie intégrante des cuves d’électrolyse utilisées pour la production de l’aluminium et ce, afi n d’en abaisser la chute de potentiel durant sa vie utile. De par sa composition particulière et sa vocation, une étude pertinente du système anodique et plus particulièrement, de la zone rondin/fonte/carbone, nécessite la prise en compte de phénomènes couplés et forts complexes de natures thermiques, électriques, et mécaniques. L’objectif technologique consiste à développer un outil-métier prédictif validé, versatile et robuste, permettant la réalisation d’études paramétriques et de sensibilité aux niveaux géométrique, matériel et opérationnel – étapes essentielles à la conception et l’optimisation des systèmes anodiques.

Ebrahim Jeddi, Daniel Marceau,

László Kiss,Lyne St-Georges,

Centre universitaire de recherche sur l’aluminium

(CURAL), Université du Québec à Chicoutimi

Denis Laroche, Lyès Hacini,

Centre de recherche et développement Arvida (CRDA),

Rio Tinto Alcan

PRIX

AWARD


The air gap created between the cast iron and carbon of the anode assemblies during the sealing of the steel billet represents a crucial element in the study of voltage drops in electrolysis cells. The thermal and electrical contact resistances are infl uenced not only by the operating temperature of the contact zone, but also by the change in contact pressure and therefore by changes in the air gap. It is of primary importance to establish a precise measurement method to follow these parameters.

The present study aims to gauge the deformations, temperatures and electrical potential variations of an anode assembly, under controlled laboratory conditions. The distribution of the deformations will be measured by an advanced optical technique using an ARAMIS system. The deformations, measured at strategic locations, will allow us to establish a correlation among the deformations, temperature distribution and voltage drop. The anode assembly will be installed inside an experimental rig, developed specially for this study. It will be exposed to the simultaneous eff ects of an increasing temperature and temperature gradient as well as a high-amperage electrical current, corresponding to the conditions in a real electrolysis cell. The results will then be used to calibrate a digital model.

Similarly, various measurement techniques are used to study the cast iron – carbon air gap directly. These eff orts include the application of x-ray tomography, image analysis of various sections and fi nally the diff erential analysis of the digitized interface positions. The methods will then be compared and the results will be used as initial conditions for the digital models.

L’espace d’air créé à l’interface fonte/carbone des assemblages anodiques lors du scellement du rondin d’acier constitue un élément clé dans l’étude des chutes de voltage dans les cellules d’électrolyse. En eff et, la résistance de contact thermo-électro-mécanique de cette interface est non seulement aff ectée par la température d’opération de la cuve d’électrolyse mais tout également par l’évolution de la pression de contact et donc, par l’évolution de cet espace d’air. Il importe donc d’en assurer une mesure précise.

Le travail en cours vise donc à réaliser des mesures de déformation, température et de voltage sur un assemblage anodique dans des conditions contrôlées en laboratoire. Les mesures de déformations seront obtenues via une technique optique avancée, à l’aide d’un système ARAMIS. Plus spécifi quement, les mesures de déformations en des endroits stratégiques permettront d’établir un lien entre la déformation de l’assemblage anodique, la distribution de température et la chute de voltage. L’assemblage anodique est installé dans un banc d’essai développé spécifi quement à cet eff et et soumis simultanément à une montée en température ainsi qu’à un courant de fort ampérage ; conditions représentatives des conditions d’opérations réelles. Les informations obtenues seront par la suite utilisée pour des fi ns de calibration d’un modèle numérique.

Également, diverses techniques de mesure de l’espace fonte/carbone sont investiguées. On parle ici, d’une approche par tomographie par rayons-x, d’une analyse de coupes par imagerie et fi nalement, par analyse diff érentielle du positionnement de l’interface obtenu par numérisation. Les méthodes seront par la suite comparées et les résultats utilisés comme conditions initiales dans nos modèles numériques.

Ayesha Khatun,László Kiss,Daniel Marceau,Lyne St- Georges, Centre universitaire de recherche sur l’aluminium (CURAL), Université du Québec à Chicoutimi

Denis Laroche,Centre de recherche et développement Arvida (CRDA), Rio Tinto Alcan

Yves Caratini,Laboratoire de recherche des fabrications (LRF),Rio Tinto Alcan


Industrial production of primary aluminium is possible through the Hall-Héroult process in electrolytic reduction cells. Alumina is dissolved in a molten electrolytic bath composed mainly of cryolite, and is separated by a strong current to form oxygen and aluminium. The oxygen reacts with the anode carbon to form CO2, thus the prebaked anodes must be periodically replaced. The anode quality has a great infl uence on the optimal operation of the reduction cells. However, their properties are measured on less than 1% of the weekly production, due to the long and costly testing required. The results of tests are known 4 weeks after sampling. The weekly average of these measurements is used for process control. Unfortunately, the long delays between production and results can lead to poor abnormal operation and implementing corrective measures. The objectives of this master’s degree project are to estimate the weekly quality of anodes and to establish relationships between the raw material properties (X1), operating parameters of the manufacturing process (X2) and anode quality attributes (Y). The study of process databases collected from the Alcoa Deschambault smelter using projections to latent structures (PLS) enables us to establish a model for the prediction of anode quality. This method is used to model the relationships existing within and between the two data blocks (X and Y). Methods based on the latent variable model are used to model data matrices characterized by a high degree of colinearity, low signal/noise ratio and missing values. They use the latent space by summarizing the common systematic variations of a system through a small number of latent variables. A summary of the results obtained is presented. The model explains 52.7% of the variations in anode quality. It is possible to identify the main parameters responsible for a change in anode properties. Finally, instant weekly prediction of anode properties can be achieved.

La production industrielle d’aluminium primaire s’eff ectue selon le procédé Hall-Héroult dans des cuves d’électrolyse. L’alumine, qui est dissoute dans un bain électrolytique en fusion composé principalement de cryolite, est dissociée par un courant continu pour former de l’oxygène et de l’aluminium. L’oxygène réagit avec le carbone des anodes pour former du CO2. Les anodes précuites doivent donc être remplacées périodiquement. La qualité des anodes a une grande infl uence sur l’opération optimale des cuves d’électrolyse. Cependant, leurs propriétés sont mesurées sur moins de 1% de la production hebdomadaire en raison des tests requis qui sont longs et coûteux. Les résultats de ceux-ci sont connus 4 semaines après l’échantillonnage. Les moyennes hebdomadaires de ces résultats sont utilisées pour le contrôle de la qualité des anodes. Cette situation entraîne de longs délais dans la détection des situations anormales et dans la mise en place de mesures correctives Les objectifs de ce projet de maîtrise sont d’estimer la qualité hebdomadaire des anodes et d’établir les relations existantes entre les propriétés des matières premières (X1), les paramètres d’opérations du procédé de fabrication (X2) et la qualité des anodes (Y). L’étude des bases de données de procédé de l’Aluminerie Alcoa de Deschambault à l’aide des projections sur les structures latentes (PLS) permet d’établir un modèle servant à la prédiction de la qualité des anodes. Cette méthode permet de modéliser les relations existantes à l’intérieur et entre deux matrices de données (X et Y). Les méthodes basées sur le principe des variables latentes permettent de modéliser des matrices de données caractérisées par un fort degré de colinéarité, du bruit et des valeurs manquantes. Elles exploitent l’espace latent en résumant les variations systématiques d’un système par un nombre réduit de variables latentes. Une synthèse des résultats est présentée. Le modèle explique 52,7% des variations de la qualité des anodes. Il est possible d’identifi er les principaux paramètres responsables d’un changement dans les propriétés des anodes. Il est également possible de prédire instantanément la qualité hebdomadaire de ceux-ci.

Julien Lauzon-Gauthier, Carl Duchesne,

Centre de recherche sur l’aluminium – REGAL,

Département de Génie Chimique, Université Laval

Jayson Tessier,STAS, Groupe R&D Alcoa-STAS,

Chicoutimi


In today’s anode technology, determining a matrix’s exact parameters to obtain a high quality anode is quite diffi cult due to simultaneous eff ects of various factors including raw materials and process parameters. Furthermore, the behavior of anode paste under compression is complicated and is not fully understood. Application of computer simulations may be helpful to fi ll the current gaps in our knowledge in this research area. The use of conventional continuum models, however, is limited in this case due to the visco-elastic behavior of anode paste at forming temperature and also the combined eff ects of coke particles and binder viscosity. The present study will investigate the fl ow behavior of anode paste under compression using Discrete Element Modeling method. Furthermore, this method will be used to determine the parameters aff ecting the rheological behavior of anode paste and homogeneity of green anode. Discrete element modeling, due to its unique modeling method, would provide considerable information with regard to the infl uences of microstructural features of anode paste on its rheological and compaction behavior. Consequently, the results of this simulation will be used for selecting the most signifi cant parameters which control the anode quality.

Dans les technologies actuelles de l’anode, la détermination de paramètres exacts d’une matrice afi n d’obtenir une anode de haute qualité est très diffi cile. En eff et, cette matrice est rendue compliquée à cause des eff ets simultanés de plusieurs facteurs comme, par exemple, les matières premières et les paramètres du procédé. En outre, le comportement de la pâte d’anode en compression est complexe et n’est pas entièrement compris et maitrisé. Un programme de simulations sur ordinateur pourrait être utile pour combler les lacunes actuelles des connaissances dans ce domaine de recherche. L’utilisation de modèles continus conventionnels est, cependant, limitée dans le cas d’un comportement viscoélastique de la pâte d’anode à la température de formation ainsi qu’aux eff ets combinés des particules de coke et de la viscosité du liant (pitch). Cette présente étude examinera le comportement du fl ux de pâte d’anode en compression à l’aide de la Modélisation d’Eléments Discrets (MED). En eff et, cette méthode sera utilisée pour déterminer les paramètres infl uençant le comportement rhéologique de la pâte d’anode et l’homogénéité de l’anode verte. La MED, privilégiée par sa méthode de modélisation unique, pourrait fournir de nombreuses informations. Ces données apporteraient des connaissances sur les infl uences des caractéristiques microstructuraux de la pâte d’anode sur son comportement rhéologique et sur son compactage. Par conséquent, les résultats de cette simulation seront utilisés pour sélectionner les paramètres les plus importants dans le contrôle de la qualité d’anode.

Behzad Majidi,Hany Ammar,Houshang D. Alamdari,Mario Fafard,Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval



The heat transfer phase-change problem that characterizes the evolution of the sideledge thickness in an aluminium reduction cell is usually solved under steady-state modeling. All the physical properties of the thermal system are also generally known. However, the transient state of the evolution of the sideledge thickness is very important because it can infl uence the length of the service life of the cell and its hydrodynamic stability. Considering that the experimental measurement of the sideledge thickness is a long and very expensive process, an inverse analysis is proposed to estimate its transitional behavior. This method consists in giving a fi rst guess value to the missing parameter and improving it by using a measurement performed on the system. In the case of an aluminium reduction cell, the degree of freedom related to the unknown sideledge thickness can be evaluated by measuring the temperature. The proposed inverse procedure in this research project can be used to identify the thickness profi le for typical thermal conditions found inside an aluminium reduction cell. However, the time needed to implement this inverse procedure is too lengthy for it to be used in industrial applications. A second simplifi ed inverse model was therefore studied. The quasi-2D inverse model predictions remain as accurate as to the sideledge thickness while being more than 90% less time consuming compared to the full 2D inverse model approach.

Le problème de transfert de chaleur avec changement de phase caractérisant l’évolution de l’épaisseur de gelée sur le côté d’une cuve d’électrolyse est généralement traité en régime permanent. De plus, toutes les propriétés thermiques du système sont généralement connues. Toutefois, la connaissance du comportement transitoire de l’épaisseur de la gelée est critique relativement à la durée de vie des cuves d’électrolyse et à la stabilité hydrodynamique à l’intérieur de celles-ci. Finalement, puisque la mesure de cette épaisseur s’avère longue et coûteuse, l’utilisation des méthodes inverses pour prédire le comportement transitoire de l’épaisseur de la gelée est investiguée. Les méthodes inverses thermiques consistent à poser un paramètre manquant du problème thermique et à améliorer cet estimé à l’aide d’une mesure eff ectuée sur le système. Ainsi, dans le cas des cuves d’électrolyse, le degré de liberté associé à la position inconnue de la gelée peut être fi xé par une mesure de température. La méthode inverse proposée dans ce projet de recherche permet de retrouver le profi l de gelée pour les conditions thermiques typiques que l’on retrouve à l’intérieur des cuves d’électrolyse. Toutefois, le temps nécessaire à la mise en œuvre de cette méthode inverse est trop important pour que celle-ci soit utilisée dans des applications industrielles. Un second modèle inverse simplifi é a donc été étudié. Ce modèle inverse quasi 2D permet d’obtenir d’aussi bonnes prédictions de l’épaisseur de gelée que le modèle inverse 2D en plus de réduire de 90% le temps de calcul.

Marc-André Marois, Martin Désilets,

Marcel Lacroix,Université de Sherbrooke

PRIX AXE 1

AXE 1 AWARD


Energy effi ciency in electrolysis cells is one of the major challenges of today’s aluminium industry. Among the key opportunities for improvement is the voltage drop of the anode assembly, which has, as one of its specifi c sources, the interface resistance between steel, cast iron and carbon at the sealing zone. In order to minimize this loss, it is necessary to characterize the behavior of these interfaces based on operational conditions.

The aim of this project is to develop an experimental law for electrical resistance and thermal interface conductance according to the pressure and temperature applied. To do this, a bench test was developed and a technique for producing samples made of three materials was also developed to realistically represent the anode sealing zone in the laboratory. Test results will then be compared with theoretical models existing in the literature.

The behavioral laws will then be implanted in a fi nite elements model and enable modeling for the optimization of energy consumption.

La diminution de la consommation d’énergie dans les cuves d’électrolyse est aujourd’hui l’un des défi s majeurs de l’industrie de l’aluminium. Parmi les principales opportunités d’amélioration, on retrouve la chute de voltage de l’ensemble anodique; une de ses causes spécifi ques est la résistance d’interface au scellement, à savoir entre l’acier, la fonte et le carbone anodique. Afi n de pouvoir minimiser cette perte, il est primordial de caractériser le comportement des interfaces en question en fonction des conditions d’opération.

Le but de ce projet est donc de développer une loi expérimentale de comportement de la résistance électrique et de la conductance thermique d’interface en fonction de la pression et de la température appliquées. Pour ce faire, un banc d’essai a été mis au point et une technique de fabrication d’échantillons à trois matériaux a aussi été développée permettant de représenter de façon réaliste la zone de scellement anodique en laboratoire. Les résultats des essais seront ensuite comparés à certains modèles théoriques existants dans la littérature.

Les lois de comportement thermique et électrique pourront ensuite être implantées dans un logiciel d’éléments fi nis et permettre les travaux d’optimisation.

Marie-Hélène Martin,Mario Fafard,Guillaume Gauvin,Chaire de recherche industrielle CRSNG/Alcoa MACE³, Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL,Université Laval

Nedeltcho Kandev,Hugues Fortin,Institut de recherche d’Hydro-Québec,Shawinigan, Canada


Numerical models of the carbon anode have become excellent tools to better understand the physics involved in the Hall-Héroult process. The main sources of uncertainty within our current model are the boundary conditions around the anode and the behaviour of the various material interfaces with the anode cover and crust.

The objective of this project is to include anode cover and crust geometry and corresponding thermal properties as well as include the infl uence of the anode confi guration within the cell on individual anode boundary conditions. The most infl uential parameters as well as proposed values have been identifi ed in the literature. Once incorporated into the model, simulations using the FESh++ solver with allow us to validate these values.

Les modèles numériques de l’anode sont devenus d’excellents outils pour mieux comprendre les phénomènes physiques impliqués dans le procédé Hall-Héroult. Les principales sources d’incertitude au sein de notre modèle actuel sont les conditions aux limites autour de l’anode et le comportement des interfaces entre l’anode et la croute ainsi que l’alumine. L’objectif de ce projet est d’inclure la géométrie et les propriétés thermiques correspondantes de la croute et l’alumine, ainsi que l’infl uence de la confi guration des anodes dans la cuve sur les conditions aux limites des anodes individuelles. Les paramètres les plus infl uents et des valeurs proposées seront identifi ées dans la littérature. Une fois incorporées dans le modèle, des simulations avec FESh++ permettront de valider ces valeurs.

Dave Martin, Mario Farfard,

Patrice Goulet, Olivier Trempe,

Chaire de recherche industrielle CRSNG/Alcoa MACE³,

Centre de recherche sur l’aluminium – REGAL,

Université Laval

Donald Ziegler,Aluminerie Deschambault,

Alcoa Canada


Quebec aluminium production consumes about 37,800 GWh of electric energy every year and the corresponding greenhouse gases (GHG) emissions are evaluated at 1.05 million tons of CO2. Since almost half of the electric energy put into the process is eventually lost into heat, a substantial potential for reducing electric consumption and GHG emission per ton of aluminium produced has been identifi ed. In order to determine how to recover heat losses and most importantly, how to use the recovered heat to minimize both production costs as well as GHG emissions, a full thermoenergetic inventory is fi rst required. Data acquisition through thermal cameras will be needed to complete the available data regarding energy consumption and heat losses of processes plant-wide. By representing the thermoenergetic inventory as a network of fl ows employing graph theory, the application of optimisation algorithms will be made possible. The potential integration of heat exchangers, heat pumps or heat engines throughout the network will thereby be evaluated.

La production d’aluminium au Québec consomme environ 37 800 GWh d’énergie électrique par année et les émissions de gaz à eff et de serre (GES) correspondantes sont estimées à 1,05 millions de tonnes de CO2. Puisque près de la moitié de l’énergie électrique fournie au procédé est éventuellement perdue sous forme de chaleur, on a identifi é un important potentiel de réduction de la consommation énergétique et réduction des GES associés à la production d’une tonne d’aluminium. Pour déterminer comment récupérer de la chaleur et surtout comment l’utiliser pour minimiser à la fois les coûts de production et les émissions de GES, il s’agira d’abord de construire un inventaire thermoénergétique complet de l’ensemble de l’aluminerie. Certaines mesures à l’aide de caméras thermiques devront être eff ectuées pour compléter les données disponibles. En représentant l’inventaire sous forme de réseau d’échanges à l’aide de la théorie des graphes, des algorithmes d’optimisation pourront être appliqués. On évaluera ainsi la possibilité d’intégrer des échangeurs de chaleurs, des pompes à chaleur ou des machines thermiques à travers le réseau d’échanges thermoénergétiques.

Cassandre Nowicki,Louis Gosselin,Département de génie mécanique, Université Laval

Carl Duschesne,Département de génie chimique, Université Laval


In order to study thermo-chemo-mechanical behaviour of the ramming paste materials in aluminium electrolysis cells taking into account damage, creep/ relaxation and baking of the paste, a constitutive law must be developed. To this end, some aspects of ramming paste behaviour during the preheating process from room temperature up to operational temperature were reviewed briefl y. The described problem takes into account various transformations during baking of the paste; swelling, contraction and thermal stresses as well as its compression by all components of the cell in contact with ramming paste. To introduce the methodology, a biphasic approach is supposed to couple the gas pressure to the mechanical behaviour of the ramming paste based on the infi nitesimal transformation in poromechanics. In order to characterize the ramming paste, after compaction of ramming paste in two layers at ADQ the apparent density distribution of green ramming paste for the side block was obtained. Later, single and double layer compacted samples with the same apparent density were fabricated by two types of apparatus. The obtained results related to the apparent density distribution of the ramming paste of the side wall block and the apparent density of laboratory-fabricated samples as well as future research tasks are presented in this poster.

Afi n d’étudier le comportement thermo-chimio-mécanique de la pâte à brasquer des cellules d’électrolyse de l’aluminium en tenant compte de l’endommagement, du fl uage/relaxation et la cuisson de la pâte, une loi constitutive doit être développée. À cet eff et, quelques aspects du comportement de la pâte pendant le processus de préchauff age de la température ambiante jusqu’à la température opérationnelle ont été passés en revue brièvement. Le problème décrit tient compte de diverses transformations pendant le préchauff age de la pâte : gonfl ement, contraction et expansion thermique de tous les composants de la cellule en contact avec la pâte. La méthodologie envisagée postule une approche d’un milieu bi-phasique afi n de coupler la pression de gaz au comportement mécanique de la pâte basée sur la transformation infi nitésimal de la poro-mécanique. Afi n de caractériser la pâte à brasquer verte, après compactage de celle-ci en deux couches à ADQ, sa distribution apparente de densité du bloc latéral a été obtenue. Par la suite, des échantillons ayant une et deux couches compactées avec la même densité apparente ont été fabriqués par deux types d’appareils. Les résultats obtenus liés à la distribution de la densité apparente de la pâte du côté latéral de la cuve et la densité apparente des échantillons fabriqués au laboratoire aussi bien que les travaux futurs de cette recherche sont présentés en cette affi che.

Sakineh Orangi,Mario Fafard,

Donald Picard, Houshang D. Alamdari, Industrial Research Chair

NSERC/Alcoa MACE3, Aluminium Research

Centre - REGAL, Laval University,



Anodes are subject to an undesirable oxidation due to the reactivity of carbon with oxygen at high temperatures. Reducing this harmful reaction could improve the effi ciency of aluminum smelters by reducing the amount of carbon needed and reducing carbon dioxide emissions. The approach presented is intended to reduce this reaction by boron oxide precipitation. The carbon samples were created by soaking in an aqueous solution of boron oxide, and then underwent air burn reactivity tests and scanning electron microscopy (SEM). The preliminary results show that at least in the short term, even a small concentration of boron oxide can reduce carbon oxidation. However, many other tests are needed to optimize the use of this material. Developing a viable solution will require experiments carried out over a longer term and better understanding of the protection mechanism.

Les anodes subissent une oxydation indésirable due à la réactivité du carbone avec l’oxygène à haute température. Diminuer cette réaction nuisible permettrait d’économiser sur la quantité de carbone utilisée par les alumineries et réduirait l’émission des gaz à eff et de serre. L’approche élaborée utilise l’oxyde de bore appliqué par précipitation pour réduire cette réaction. La démarche expérimentale a consisté à créer des échantillons de carbone trempés dans une solution aqueuse d’oxyde de bore. Ceux-ci ont ensuite subit un test de réactivité à l’air et une microscopie électronique à balayage (MEB). Les tests préliminaires réalisés montrent, qu’à court terme, l’oxydation du carbone peut être réduite grandement même par de faibles concentrations d’oxyde de bore. Toutefois, de nombreux tests doivent encore être réalisés pour optimiser l’utilisation de ce matériau. En eff et, l’élaboration d’une solution viable nécessite des expérimentations réalisées sur le long terme et une meilleure compréhension du mécanisme de protection.

Audrey Poulin,Houshang D. Alamdari,Mario Fafard, Centre de recherche sur l’aluminium – REGAL, Université Laval



Cathode blocks are of considerable importance as a refractory material and in conducting electricity to perform the electrolysis in the Hall-Heroult’s cells. The quality of carbonaceous material remains essential to the longevity and eff ectiveness of the cells. The experiments on a triaxial cell allow to characterize the compressive behaviour and to obtain the failure envelope. By exerting a confi ning pressure, it is possible to apply large axial loads on the material and assess the characteristics of this stress state. All cylindrical samples used so far have a diameter of 100 mm and an oil pressure range between 5 and 20 MPa, with a constant axial loading rate. On the other hand, the main goal of the thermomechanical characterization is to establish some mechanical properties of the cathode at diff erent temperatures. The work done so far concerns the characterization of the experimental setup for improving the measurement system. Some tests related to Young’s modulus have been made, but more will be needed to achieve signifi cant results.

Les blocs cathodiques revêtent une importance considérable comme matériau réfractaire et pour conduire l’électricité permettant l’électrolyse dans les cuves du procédé Hall-Héroult. La qualité du matériau carboné demeure essentielle à la longévité et à l’effi cacité des cuves. La réalisation des essais triaxiaux permet de caractériser le comportement en compression et d’obtenir la résistance au cisaillement en bâtissant une enveloppe de rupture représentative. En exerçant une pression de confi nement, il est possible d’appliquer d’importants chargements axiaux sur le matériau et d’en évaluer les caractéristiques à cet état de contrainte. Les échantillons cylindriques utilisés ont tous un diamètre de 100 mm et les pressions d’huile employées jusqu’ici s’échelonnent entre 5 et 20 MPa avec un taux de chargement axial constant. D’autre part, la caractérisation thermomécanique vise à établir certaines propriétés mécaniques de la cathode à diff érentes températures. Le travail accompli jusqu’à maintenant porte davantage sur la caractérisation du montage expérimental pour perfectionner le système de mesure. Quelques tests se rapportant au module de Young ont pu être réalisés, mais un plus grand nombre sera nécessaire pour obtenir des résultats signifi catifs.

Pierre-Olivier St-Arnaud, Audrey Poulin, Donald Picard,

Mario Fafard, Houshang D. Alamdari,


Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL,

Université Laval


The development trends of alumina reduction technology are the enlargement of the cell size and the increase of the amperage, making it increasingly challenging to evacuate the heat by the sidewalls in order to maintain a frozen protective layer. The side-ledge is the result of the solidifi cation of the electrolyte, which is a multi-component system with a varying chemical composition. Since the frozen layer is heterogeneous, the thermal conductivity must be expressed not only as a function of the composition and temperature, but the eff ect of the structural variations must also be characterized. The fl ash method is adequate to follow the spatial variations of the thermal conductivity, while the monotonic heating method supplies the bulk properties.

La tendance actuelle est de développer des technologies de réduction de l’alumine visant à augmenter les dimensions de la cuve ainsi que l’intensité du courant électrique, il en résulte un défi grandissant du côté de l’évacuation de la chaleur horizontalement par les parois afi n de conserver une couche protectrice de bain solidifi é. La gelée est le résultat de la solidifi cation de l’électrolyte qui est un système multi-composant de composition chimique variable. La couche de bain solidifi é étant hétérogène, la conductivité thermique doit être exprimée non seulement en fonction de sa composition et sa température, mais l’eff et des variations structurelles doit aussi être caractérisé. La méthode fl ash convient pour décrire les variations spatiales de conductivité thermique alors que la méthode par chauff age monotone fournit les propriétés moyennes.

Rémi St-Pierre,László Kiss,Université du Québecà Chicoutimi

Patrice Chartrand,École Polytechnique de Montréal

Alexandre Perron,Rio Tinto Alcan


This poster discusses anode forming modeling and model parameters’ identifi cation using the inverse method. This model has already been tested for the simulation of asphalt compaction, a material highly similar to carbon paste used in the industry. A compression test was performed on a carbon paste contained in a thin-walled cylinder under the eff ect of cyclic loading. The results have been used to identify parameters of the mechanical model. Numerical simulation of the test performed to identify parameters by the inverse method shows that the nonlinear viscoelastic mechanical model, including dissipative eff ects, is able to predict the macroscopic behaviour of the paste under cyclic loading. However, the diff erence between experimental and numerical results indicates that the numerical model must be modifi ed with an extension that supports sheer stress phenomena.

Cette affi che traite de modélisation de la mise en forme de pâte anodique et des paramètres du modèle identifi és par méthode inverse. Le modèle utilisé a déjà été éprouvé dans des travaux portant sur le compactage d’asphalte, matériau hautement similaire à la pâte carbonée utilisée en industrie. Un test de compression a été réalisé sur une pâte de carbone confi née dans un cylindre à paroi mince sous l’eff et d’un chargement cyclique. Les résultats permettent d’obtenir des informations importantes relatives à l’identifi cation des paramètres du modèle. Une reproduction numérique du test réalisé à partir des paramètres obtenus par méthode inverse montre que le modèle mécanique, viscoélastique non linéaire incluant les eff ets dissipatifs, est capable de prédire le comportement macroscopique de la pâte sous l’eff et d’un chargement cyclique. L’écart entre les résultats indique toutefois que le modèle numérique doit être modifi é avec une extension qui prend en charge le cisaillement.

Stéphane Thibodeau, Hicham Chaouki,

Houshang D. Alamdari, Mario Fafard,


Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL



The smelting of aluminium is a process which is energy intensive. The overall energy balance for a typical smelter shows that about one-half of the energy which is put into the process is lost in the off -gases and through the sidewalls of the pots. The off -gases, as low-grade waste heat, contain about 30% of the lost energy.

A process to recover some of the waste heat is being developed. The process couples heat pipe technology with the Stirling engine to produce electricity from low-grade waste heat contained in the off -gases.

The poster presents a progress report on the research.

La fonte de l’aluminium est un procédé qui requière une quantité signifi cative d’énergie. Il est connu qu’environ la moitié de l’énergie utilisée dans le procédé de la production de l’aluminium est perdue à travers les effl uents gazeux émis (environ 30%) Un procédé est en développement pour essayer de récupérer ces gaz contenant de la chaleur résiduelle.

Le but du projet est de concentrer, capturer et convertir cette chaleur résiduelle. Le procédé est basé sur le concept du caloduc couple avec un moteur Stirling afi n d’extraire la chaleur résiduelle. Cette énergie peut de suite être convertie en électricité.

L’affi che démontre l’état d’avancement de la recherche.

Eric Thibodeau ,Frank Mucciardi,Dept. Of Mining and Materials Engineering, McGill University


Signifi cant changes in oil refi neries in recent years have led to a decline in the quantity and quality of petroleum coke available. An imbalance between supply and demand forced smelters to pay more for a lower-quality product, which included, for example, a higher content of sulfur. A thermal desulfurization during the coke calcination leads to lower density and higher electrical resistivity, ultimately resulting in a decrease in the effi ciency of the electrolysis process. Moreover, the appearance of micropores and cracks in the anode paste during cooking causes a decrease in the lifetime of the anodes. Other problems, such as contamination of the metal and increased carbon reactivity against oxidation, are consequences directly attributable to the increasing presence of sulfur in the green coke. The project’s objectives are to study the behavior of desulfurization of petroleum coke in the level of roasting and chemistry to optimize the conditions for calcining coke depending on the sulfur content. The suggested methodology is to evaluate the behavior of desulfurization of coke at a diff erent sulfur concentration by qualitative and quantitative analysis of the sulfur emitted during calcination by infrared spectroscopy.

D’importants changements survenus dans les raffi neries pétrolières au cours des dernières années ont conduit à un déclin de la quantité et de la qualité du coke de pétrole disponible. Un débalancement entre l’off re et la demande contraint les alumineries à payer plus cher pour obtenir un produit de qualité moindre, présentant entre autre une teneur plus élevée en soufre. Lors de la calcination du coke, une désulfurisation thermique engendre une diminution de la densité et une augmentation de la résistivité électrique, ce qui se traduit au fi nal par une diminution de l’effi cacité énergétique du processus d’électrolyse. De plus, l’apparition de microporosités et de fi ssures dans la pâte anodique pendant la cuisson provoque une diminution de la durée de vie des anodes. D’autres problèmes tels que la contamination du métal et l’augmentation de la réactivité du carbone face à l’oxydation sont d’autres conséquences directement attribuées à la présence croissante du soufre dans le coke vert. Les objectifs du projet sont d’étudier le comportement de désulfurisation du coke de pétrole en fonction du niveau de calcination et de la composition chimique afi n d’optimiser les conditions de calcination du coke en fonction de la teneur en soufre. La méthode de travail suggérée est l’évaluation du comportement de désulfurisation de diff érents cokes à concentration variable en soufre par analyse qualitative et quantitative des sulfures émis lors de la calcination par spectroscopie infrarouge.

Nicolas Tremblay,André Charette,




Ramming paste is known to be a key material in aluminium electrolysis cells. The paste is used to form joints between carbon cathode blocks and ensures the sealing of the cathode. Initially green (unbaked), the paste is mechanically compacted by vibration and baked while the cell is preheated. The ramming paste must have the right properties after densifi cation and baking to avoid poor cell performance (cell failure). A typical cold ramming paste consists of an anthracite fi ller, a coal tar binder and a diluent to lower its softening point. The joints are compacted in several layers to a fi nal top surface fl ush which the top of the cathode blocks. During baking, various mechanisms cause changes in its mechanical properties, in addition to changes in volume and density thereof.

The goal of this project is to characterize the thermo-chemico-mechanical behaviour of the ramming paste during and after baking. The ramming paste sample will be tested at diff erent temperatures and periods of time to nearly represent its real utilisation. Then, a visco-elasto-plastic model will be proposed for a future analysis using the Finite Element Method.

La pâte à brasquer est connue comme étant un élément clé dans une cuve d’électrolyse. Elle est utilisée pour former les joints entre les blocs cathodiques et assure ainsi l’étanchéité du revêtement de la cuve. Initialement crue, la pâte est vibro compactée et cuit au cours du préchauff age de la cuve d’électrolyse. La pâte doit posséder des propriétés adéquates après le compactage et la cuisson pour éviter une perte de performance de la cuve (fi ssuration et bris du revêtement réfractaire). La pâte froide (c’est-à-dire appliquée à froid) est généralement constituée d’anthracite, de brai et d’un diluant afi n d’abaisser son point de ramollissement. Les joints sont compactés en plusieurs couches jusqu’à l’obtention d’une hauteur équivalente aux blocs cathodiques. Lors de la cuisson, divers mécanismes provoquent des modifi cations de ses propriétés mécaniques en plus des variations de volume et de densité de celle-ci. Le but de ce projet est de caractériser le comportement thermo-chimio-mécanique de la pâte à brasquer pendant et après la cuisson. Les essais mécaniques se feront à diff érentes températures et après diff érentes périodes afi n de reproduire un comportement réel d’utilisation. Par la suite, un modèle visco-élasto-plastique sera proposé pour analyse ultérieure par la méthode des éléments fi nis.

Stéphane Tremblay,Lyne St-Georges,László Kiss,Myriam Gilbert-Auclair,Centre universitaire de recherche sur l’aluminium (CURAL), Université du Québec à Chicoutimi

Lyès Hacini,Rio Tinto Alcan

PRIX

AWARD


Aluminum is produced by electrolysis, and the anodes used for this process are made of carbon. Low carbon (anode) consumption is important for the aluminum industry because it directly aff ects the cost of production as well as environmental emissions. The anode consumption is strongly infl uenced by the properties of the anode. In aluminum electrolysis, the study of the carbon anode manufacturing and the improvement of its production techniques lead to savings in energy and reduction in gaseous emissions for the aluminum company.The reactivity of CO2 and air, and air permeability are important indices to evaluate carbon anodes because they relate not only to anode density but also to anode consumption, which will help assess the potential for saving energy and reducing CO2 and hazardous gas emissions from the carbon anode production process.

The global objective of the project is to improve the quality of the presently used carbon anodes. Small anode samples will be prepared from the raw materials available in the Guizhou province of China. These samples will be baked in a thermogravimetric analyzer (TGA). The volatile analysis will be carried out by the TGA-FTIR system. From this data, a kinetic model of the devolatilization will be developed. The microstructures of cokes and anodes and pitch penetration behavior will be analyzed using SEM. The properties of anodes (CO2 reactivity, air reactivity, and air permeability) baked in TGA as well as those baked in the plant will be measured. Anode quality (properties) will be correlated with the properties of raw materials, paste preparation conditions, and anode baking conditions.

L’aluminium est produit via l’électrolyse et les anodes utilisées dans ce procédé sont fabriquées à partir de carbone. La baisse de consommation de carbone (anode) est importante pour l’industrie de l’aluminium parce qu’elle aff ecte directement le coût de production aussi bien que les émissions environnementales. Dans l’électrolyse d’aluminium, l’étude de la fabrication des anodes et l’amélioration des techniques de production permettront l’économie en énergie et la réduction des émissions gazeuses.Les réactivités au CO2 et à l’air ainsi que la perméabilité à l’air sont des indices importants pour l’évaluation des anodes en carbone parce qu’elles sont non seulement liées à la densité de ces dernières mais aussi à leur consommation.

L’objectif global du projet est d’améliorer la qualité des anodes présentement utilisées. De petits échantillons d’anodes seront préparés à partir des matières premières disponibles dans la province de Guizhou en Chine. Ces échantillons seront cuits dans un analyseur thermogravimétrique (TGA). Des analyses de volatiles seront aussi eff ectuées en utilisant un système de TGA-FTIR. À partir de ces données, un modèle cinétique de la volatilisation sera développé. Les microstructures du coke et des anodes ainsi que le comportement de la pénétration du brai seront analysés avec MEB. Les propriétés des anodes (réactivités au CO2 et à l’air ainsi que la perméabilité à l’air) cuites dans TGA aussi bien que celles cuites en usine seront mesurées. La qualité d’anodes sera enfi n corrélée avec les propriétés des matières premières et les conditions de la préparation de la pâte et de la cuisson des anodes.

Yadian Xie, Duygu Kocaefe,

Yasar Kocaefe,Centre universitaire de

recherche sur l’aluminium (CURAL), Université du Québec

à Chicoutimi

Wei Liu,School of Materials and

Architectural Engineering, Guizhou Normal University

(GNU), China

Shaoling Zou, Anjing Wu,

Guizhou Section, Aluminium Corporation of China Limited

(CHALCO), China

TITRETITRE

TiTre en FranÇais

TiTre en anglais

NOUVEAUX PRODUITS ET MATÉRIAUX À BASE D’ALUMINIUMNEW ALUMINIUM BASED PRODUCTS AND MATERIALS

Powder metallurgy is a novel technique used in the production of Al foams with close-cell structures. In this technique, the foaming process takes place in a short period of time. Problems of drainage and pore coalescence are present shortly after the best structure is obtained. Previous studies done by our research group found that foaming Al with Sn can decrease the foaming temperature. A good structure may be obtained by means of a temperature decrease over a longer period of time.

This study presents the impact of tin additions on compression tests (Instron MTS) done on aluminum foams (with and without tin) in order to determine its eff ect on the stress-strain curves

An expandometer was used to trace the foaming behaviour and mechanical characterization was done on an Instron MTS to evaluate energy absorption on optimal structure foams. Pore morphology of the crushed samples is presented.

Results show that a small Sn addition is suffi cient to obtain: 1) long-term stability of the pore structure and 2) good energy absorption.

La métallurgie en poudre est une nouvelle technique pour la production des mousses d’aluminium avec porosités fermées. Dans cette technique, le processus moussant se réalise dans une courte période de temps. Par contre, des problèmes de drainage et de coalescence de pores surviennent peu après l’obtention de la meilleure structure. Des études réalisées par notre équipe de recherche ont montré que l’addition d’étain aux mousses d’aluminium peut diminuer la température du procès qui, à son tour, augmente la durée de rétention de la bonne structure des pores.

La présente recherche compare les essaies de compression (Instron MTS) de mousses d’aluminium avec et sans étain afi n de déterminer son eff et sur les courbes contrainte-déformation.

Un expandomètre a été utilisé pour tracer la tendance d’expansion durant le processus moussant. La caractérisation mécanique de mousses, faite par Instron MTS, a pour objectif d’évaluer l’absorption d’énergie. La morphologie des pores dans les échantillons à compacter est présentée.

Les résultats obtenus montrent qu’une faible teneur en étain dans les mousses d’aluminium est suffi sante pour: 1) l’obtention d’une stabilité durable de structure des pores et 2) une bonne absorption d’énergie.

Lydia Yolanda Aguirre Perales, In-Ho Jung,

McGill University

Robin A. L. Drew,Concordia University

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Aluminium-lithium alloys are characterized by the formation of a strong deformation texture, a preferential crystallographic orientation, which causes anisotropic mechanical properties. The use of aluminium-lithium in aerospace requires a thorough knowledge about their microstructure and mechanical properties. The alloy that is under scrutiny is the extruded aluminium-lithium alloy 2099 by Alcoa which is T83 treated. The fi rst objective of the project is to characterize the various microstructural particularities such as the grains and sub-grains sizes, the dislocation density, the precipitates and second phase particles sizes and distributions and the deformation texture.

The preliminary results presented concern a cylindrical extrusion, which is one of the analysed extruded parts. The cylindrical extrusion possesses an unrecrystallized microstructure with a strong fi ber texture <111>. The anisotropy is noticeable in traction and compression testing. For example, the ultimate strength in traction for a sample parallel to the extrusion axis is of 626 MPa while it is of 510 MPa for a sample perpendicular to the extrusion axis.

With the information obtained from the characterization phase, an empirical modelling will be produced. The resulting model will link mechanical properties to microstructural particularities and those will be linked to the strain. It will then be possible to estimate mechanical properties with a relative precision for all new design of an extruded part of the 2099 T83 alloy.

Les alliages d’aluminium-lithium sont caractérisés par la formation d’une forte texture de déformation, orientation cristalline préférentielle, qui entraîne une anisotropie des propriétés mécaniques. L’utilisation des alliages aluminium-lithium en aéronautique nécessite une connaissance approfondie de leur microstructure et propriétés mécaniques. L’alliage étudié est l’aluminium-lithium extrudé 2099 d’Alcoa ayant subi un T83. Le premier objectif du projet est de caractériser les diff érentes particularités microstructurales telles que la grosseur des grains et des sous-grains, la densité de dislocations, la taille et la répartition de précipités et de particules de deuxième phase et la texture de déformation.

Les résultats préliminaires présentés concernent une des deux pièces analysées, soit un profi lé cylindrique. Le profi lé possède une structure non-recristallisée présentant une forte texture fi bre <111>. L’anisotropie est observable pour les essais de traction et de compression. Par exemple, la résistance en traction pour un échantillon parallèle à l’axe d’extrusion est de 626 MPa alors qu’elle est de 510 MPa pour un échantillon perpendiculaire à l’axe d’extrusion.

À partir des informations obtenues grâce à la caractérisation, une modélisation empirique sera ensuite eff ectuée. Cette modélisation reliera les propriétés mécaniques aux particularités microstructurales et ces dernières seront liées à la déformation. Les propriétés mécaniques pourront donc être estimées avec une précision relative pour tout nouveau design de pièce extrudée d’alliage 2099 T83.

Alexandre Bois-Brochu,Carl Blais,Département de génie des mines de la métallurgie et des matériaux, Université Laval

Julien Boselli,Alloy Technology and Materials research, Alcoa Technical Center, Alcoa, Pennsylvania

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The diversity of physical and mechanical properties of aluminum have caused the industry to develop a variety of manufacturing processes, such as the semi-solid casting process. The SEED process of semi-solid casting has the advantage of providing aluminum mechanical parts that work continuously and dynamically, and could be substituted for steel ones. In this context, this study aims to validate this information through a fatigue study of an aluminum alloy A357 suspension arm manufactured by CTA using the SEED process. At this level, we characterize the part by determining its hardness, natural frequencies and mode shapes experimentally and numerically using Abaqus simulation software. The following study is devoted to the endurance of the suspension arm to the fatigue stresses, the prediction of its useful life, and also to show the critical areas by numerical modeling. Finally, experimental and numerical results will be compared in order to validate the model made by the SEED process.

La diversité des propriétés physiques et mécaniques de l’aluminium a imposée à l’industrie de développer une panoplie de procédés de fabrication tel que le procédé de moulage semi solide. Le procédé SEED du moulage semi-solide a l’avantage de fournir des pièces mécaniques en aluminium qui travaillent continuellement en dynamique et qui pourraient substituées celles en acier. Dans ce cadre, cette étude est pour valider davantage ces informations par l’étude de fatigue d’un bras de suspension en alliage d’aluminium A357 fabriqué par le CTA par le procédé SEED. À ce niveau, nous avons caractérisé la pièce en déterminant sa dureté ses fréquences naturelles et ses modes propres expérimentalement et numériquement par le logiciel de simulation Abaqus. L’étude suivante est consacrée à l’endurance du bras de suspension aux sollicitations de fatigue par la prédiction de sa durée de vie et aussi d’envisager les zones critiques par modélisation numérique. Finalement, les résultats expérimentaux et numériques seront comparés afi n de valider le modèle fabriqué par le procédé SEED.

Amine Bouaїcha, Mohamed Bouazara,

Université du Québecà Chicoutimi

Chang-Qing Zheng,CTA-Conseil national de

recherches Canada (CNRC)

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The π-AlFeMgSi iron intermetallic phase is known for its detrimental eff ect on the ductility and strength of Al-Si-Mg-Fe alloy castings, since it is controlled by the Fe and Mg content, as well as by the cooling rate. The π-AlFeMgSi phase is observed to decompose into β-AlFeSi phase needles during extended periods of solution heat treatment. The eff ects of the π-to-β decomposition on the mechanical properties of Al-7Si-0.6Mg-0.1Fe alloys were investigated. Image analysis and energy dispersive X-ray (EDX) analysis were employed for the quantifi cation of microstructural constituents and for examining the fracture surface. The results obtained show that optimum solution treatment time in modifi ed alloys is of the order of 6 to 8 hrs compared to 16-20hrs for the non-modifi ed alloys. Using prolonged solution treatment time leads to decomposition of a large amount of the π-phase into β-phase needles (around 85%), thus a slight improvement in the mechanical properties is observed at 80 hrs compared to standard heat treatment times of 8-12hrs. In the non-modifi ed alloys, the fracture behavior appears to be more controlled by the eutectic Si particles whereas in the Sr-modifi ed alloys, the π-phase contributes signifi cantly to crack propagation.

La phase intermétallique de fer π-AlFeMgSi est connue pour ses eff ets néfastes sur la ductilité et la résistance des alliages de fonderie Al-Si-Mg-Fe puisqu’elle est contrôlée par les niveaux de Fe et de Mg aussi bien que par la vitesse de solidifi cation. La phase π-AlFeMgSi se décompose en aiguilles de la phase β-AlFeSi pendant une mise en solution de longue durée. Les eff ets de la décomposition π-à-β sur les propriétés mécaniques des alliages Al-7Si-0.6Mg-0.1Fe ont été étudiés L’analyse d’images et la spectrométrie (EDX) ont été employés pour la quantifi cation des constituants microstructuraux et pour l’examen de la surface de rupture. Les résultats obtenus montrent que le temps de mise en solution optimal pour les alliages modifi és au Sr est de l’ordre de 6 à 8 heures par rapport à 16-20h pour les alliages non modifi és. L’utilisation prolongée de la mise en solution conduit à la décomposition d’une grande quantité de la phase π à la phase β (environ 85%), ainsi une légère amélioration des propriétés mécaniques est observée à 80 heures par rapport aux temps standards de mise en solution qui est de 8-12 h. Pour les alliages non modifi és, le comportement à la rupture semble être plus contrôlé principalement par les particules eutectiques Si alors que dans les alliages modifi és au Sr, la phase π contribue de manière signifi cative à la propagation des fi ssures.

Ehab A. Elsharkawi,Fawzy-Hosny Samuel, Agnès-Marie Samuel,Université du Québecà Chicoutimi

J.C. Lin, E.A. Simielli,Alcoa Technical Center, Alcoa Center, PA, US

Gilles Dufour,Alcoa Canada Ltd, Montreal, QC, Canada

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The increasing demand for weight reduction in automotive applications to reduce fuel consumption and increase performance in vehicles has raised the interest in lightweight structural alloys. In this context, aluminum alloys are considered as potential candidates for diesel engine applications which are currently served by cast iron alloys. Replacing cast iron with aluminum alloys would result in eff ective weight reduction. Eff orts in converting diesel engines from cast iron to aluminum alloys started in 1996. Presently only a small portion of the diesel engines, mainly the cylinder head, is cast in aluminum. Existing aluminum alloys hardly endure the high pressures in diesel engines and soften at engine operating temperature ( ). Therefore, aluminum alloy development activities for diesel engines have started.

In this study, new aluminum alloys are developed by adding peritectic elements to the existing A356+0.5Cu alloy. The preliminary results on selected compositions showed that the addition of Ni (as well as Cr) signifi cantly enhances the aging behavior of the A356+0.5 alloy leading to a more stable alloy at high temperatures. It was found that Cr and Ni could also modify the Fe intermetalics and potentially improve the ductility, impact and toughness behavior.

De nos jours, on observe une demande croissante pour la réduction de poids dans l’industrie automobile afi n de réduire la consommation de carburant et d’augmenter la performance des véhicules. Cela a ravivé l’intérêt pour les alliages structuraux légers. Dans ce contexte, les alliages d’aluminium sont considérés comme d’excellents candidats pour remplacer les pièces en fonte des moteurs diesel actuels. Remplacer la fonte par un alliage d’aluminium permettrait une réduction de poids considérable. Les eff orts pour eff ectuer ce changement de matériau ont commencé en 1996. Présentement très peu de pièces, principalement les têtes de cylindre, sont fabriquées en aluminium coulé. Les alliages d’aluminium existants résistent diffi cilement aux hautes pressions des moteurs diesel et s’adoucissent à la température d’opération du moteur (300°C). Pour ces raisons, des travaux de développement des alliages d’aluminium ont été entrepris pour répondre à ces besoins.

Dans cette étude, des nouveaux alliages d’aluminium ont été élaborés en ajoutant des éléments « péritectiques » à l’alliage A356+0.5Cu. Les résultats préliminaires sur certaines compositions chimiques ont montré que l’addition de Ni (et de Cr) améliore signifi cativement le comportement de vieillissement de l’alliage de base le rendant plus stable à haute température. De plus, il a été prouvé que le Cr et le Ni pouvaient modifi er les intermétalliques à base de fer et potentiellement améliorer la ductilité, la résistance à l’impact et la ténacité.

Amir Rezaei Farkoosh, Majid Hoseini,

Mihribam Pekguleryuz,Department of Mining and

Materials Engineering McGill University

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PRIX AXE 2

AXE 2 AWARD


The feasibility of friction stir welding (FSW) for joining AA1100 based metal matrix composites reinforced with B4C particulates is studied. Welding tools made of WC show much better durability than those made of steel. The microstructure and the mechanical properties of the samples welded by FSW are also investigated. It is revealed that the FSW has a signifi cant infl uence on the particle size and shape, as well as on the grain structure of the aluminum matrix. Tensile testing shows high joint effi ciency (UTS) of the FSW joints for all tested AA1100-B4C composites. In particular, 100% joint effi ciency is measured for both the annealed AA1100-16% and AA1100-30% vol. B4C composite materials. Infl uence of welding parameters on the tensile properties of the FSW joints is reported.

Cette étude porte sur la faisabilité du soudage par friction-malaxage (FSW) pour assembler des matériaux composites à matrice d’aluminium (base AA1100) avec particules de renfort en carbure de bore (B4C). Les outils de soudage FSW constitués de carbure de tungstène (WC) ont montré une meilleure durabilité que ceux en acier outil pour souder ce matériau composite. La microstructure ainsi que les propriétés mécaniques des joints obtenus ont été étudiées. Il a été établi que le soudage par friction-malaxage a une forte infl uence sur les tailles et formes de particules de B4C dans le joint soudé, mais aussi sur la structure de grains de la matrice d’aluminium après soudage. Les tests de traction ont permis de mesurer des effi cacités de joint (UTS) très élevées pour les 3 matériaux testés. Cette effi cacité a même atteint 100% dans le cas des matériaux AA1100-16% B4C et 30% B4C soudés après recuit. Des exemples de résultats sont donnés montrant l’infl uence des paramètres de soudage FSW sur les propriétés mécaniques en traction des joints soudés.

Junfeng Guo,Industrial Chair in Metallurgy of Aluminium Transformation, UQACNRC – Aluminium Technology Centre

X.-Grant Chen,Industrial Chair in Metallurgy of Aluminium Transformation, Université du Québecà Chicoutimi

Patrick Gougeon,NRC – Aluminium Technology Centre

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Nanostructured superhydrophobic surfaces are conventionally prepared employing two steps: roughening a surface and lowering their surface energy.

In the present work, a direct voltage (DC) is applied between two copper plates immersed in a dilute ethanolic stearic acid solution. The surface of the anodic copper electrode transforms to superhydrophobic due to a reaction between copper and the stearic acid solution. The fabrication process of superhydrophobic copper surfaces is simplifi ed in just one step, simplifying the complexity of the traditional two-step procedures. The surface of the anodic copper is found to be covered with fl ower-like low surface energy copper stearate fi lms providing the water contact angle of 153±2o with the roll off properties. Further, nanostructured superhydrophobic aluminum surfaces was also prepared by deposition of copper fi lms on aluminum surfaces followed by electrochemical modifi cation by stearic acid.

Les surfaces superhydrophobes sont habituellement préparées en utilisant deux étapes soit, rendre la surface rugueuse et en abaisser l’énergie de surface.

Dans ce présent travail, une tension continue (DC) est appliquée entre deux plaques de cuivre immergées dans une solution diluée d’acide stéarique éthanoïque. La surface de l’électrode de cuivre anodique devient superhydrophobe due à une réaction entre le cuivre et la solution de l’acide stéarique. Cela faisant, le procédé de fabrication de surfaces de cuivre superhydrophobe est ainsi simplifi é en une seule étape. La surface du cuivre anodique est recouverte de particules semblables à des fl eurs avec une faible énergie de surface. Ces fi lms de cuivre stéarate fournissent l’angle de contact de l’eau de 153 ± 2 ° ce qui permet aux gouttes de rouler sur la surface. En outre, les surfaces nanostructurés superhydrophobes en aluminium plaquées de cuivre ont également été préparées par la déposition de fi lms de cuivre sur la surface d’aluminium suivi d’une modifi cation électrochimique de ces surfaces dans une solution diluée d’acide stéarique éthanoïque.

Ying Huang, Dilip K. Sarkar,X.-Grant Chen,



46

PRIX

AWARD


Automotive applications using heat-treatable Al-Si-Cu cast alloys are designed for high values of mechanical properties which may be enhanced by adding alloying elements or using a specifi ed heat treatment. Aging conditions, Mg content and the cooling rate are signifi cant parameters in this regard. The infl uence of these parameters on 319-type alloys was investigated in the present work, with the aim of enhancing the mechanical properties through a study of hardness and tensile properties, precipitated phases and fracture behavior. Castings were prepared from 319 alloy melts, containing Mg levels of 0-0.6 wt%. Modifi ed melts (200 ppm Sr) were also prepared for each alloy Mg level. Star-like and L-shaped metallic molds used for casting provided directional solidifi cation and cooling rates corresponding to dendrite arm spacings of 24µm and 50µm, respectively. Tensile test bars were cast in an ASTM B108 mold (DAS: 25 μm). All cast samples were T6 and T7 heat-treated. Optical microscopy and image analysis techniques were used to examine the microstructures and fracture behavior. An electron probe microanalyzer with EDX and WDS facilities was used to detect and analyze the chemical composition of the various intermetallic phases. Tensile testing was carried out using an MTS Servohydraulic mechanical testing machine. Hardness measurements were carried out using a Brinell hardness tester. The results showed that Mg and Cu, as well as higher cooling rates improve the alloy strength, ductility and hardness values, especially in the T6 heat-treated condition. Adding Mg results in the precipitation of the β-Mg2Si, Q-Al5Mg8Cu2Si6, π-Al8Mg3FeSi6 and block-like θ-Al2Cu phases. Mechanical properties are determined mainly by Al2Cu phase and not by the eutectic Si particles.

Les applications automobiles utilisant des alliages de fonderie Al-Si-Cu traitable thermiquement sont conçues pour des propriétés mécaniques élevées qui peuvent être améliorées en ajoutant des éléments d’alliage ou en utilisant un traitement thermique approprié. Les conditions de vieillissement, le niveau de Mg et la vitesse de refroidissement sont des paramètres importants à cet égard. L’infl uence de ces paramètres sur les alliages de type 319 a été étudiée dans ce travail dans le but d’améliorer les propriétés mécaniques, à travers une étude des propriétés mécaniques (dureté et traction), des phases précipitées et du comportement à la rupture. Les coulées ont été préparées à partir d’alliage 319 contenant des niveaux de 0 à 0,6% Mg. Des coulées modifi ées (200 ppm Sr) ont également été préparées pour chacun des niveaux de Mg. Des moules métalliques en forme d’étoile et de « L » utilisés pour les coulées fournissent une solidifi cation directionnelle et des vitesses de refroidissement correspondant à un espacement interdendritique de 24µm et 50µm, respectivement. Les éprouvettes de traction ont été coulées dans un moule ASTM B108 (DAS: 25µm). Tous les échantillons ont reçu un traitement thermique T6 ou T7. Les techniques de microscopie optique et d’analyse d’images ont été utilisées pour examiner la microstructure et le comportement à la rupture. L’analyse par microsonde électronique couplée à la spectrométrie (EDX et WDS) a été utilisée pour détecter et analyser la composition chimique des nombreuses phases intermétalliques. Les essais de traction se sont déroulés sur une machine hydraulique MTS et les essais de dureté sur une machine Brinell. Les résultats ont montré que les taux de Mg et de Cu, ainsi que la vitesse de refroidissement plus élevée améliore la résistance mécanique, la ductilité et les valeurs de dureté, surtout à la condition T6. L’ajout de Mg mène à la précipitation des phases β-Mg2Si, Q-Al5Mg8Cu2Si6, π-Al8Mg3FeSi6 et θ-Al2Cu. Les propriétés mécaniques sont déterminées principalement par la phase Al2Cu et non par les particules de silicium eutectique.

Mohamed Fawzy Ibrahim,Agnès-Marie Samuel,Fawzy-Hosny Samuel,Université du Québecà Chicoutimi

E. Simielli,Center of Excellence for Research in Engineering Materials, College of Engineering, King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia

J.C. Lin,Gilles Dufour,Alcoa Canada

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Two Al-B4C composites, namely SZT40 (Al-0.4Sc-0.24Zr-1.45Ti/15vol%B4C) and ST40 (Al-0.4Sc-1.45Ti/15vol%B4C) were produced for evaluating the thermal stability of the mechanical properties at elevated temperatures for up to 2000 h. The impact of alloying elements on the precipitation hardening of the composites in the temperature range of 300 to 450ºC as a function of aging time was investigated. The evolution of mechanical properties during long-term holding was studied by hardness and compression test. The results reveal that composite ST40 exhibits strong precipitation hardening eff ect at 300ºC and composite SZT40 yields maximum hardness value at 350ºC. For long-term holding, ST40 could retain a strengthening eff ect at 250ºC for 2000 hrs, and SZT40 keeps stable at 300ºC for 2000hrs.

In addition, the observation of precipitate evolution reveals that the coarsening of precipitates existing in the matrix at higher temperature may be the main reason for the drop of mechanical properties.

Deux composites nommés SZT40 (Al-0.4Sc-0.24Zr-1.45Ti/15vol% B4C) et ST40 (Al-0.4Sc-1.45Ti/15vol% B4C), ont été préparés pour évaluer leur stabilité thermique dans des températures élevées durant un temps maximal de 2000 h. L’eff et de l’addition des deux éléments Zr et Sc sur le durcissement structural par précipitation des deux composites dans un intervalle de température de 300-450°C a été étudié en utilisant l’essai de dureté. L’évolution des propriétés mécaniques au cours d’un long recuit a aussi été évaluée par essai de dureté et par des tests de compression. L’évolution microstructurale du composite SZT40 a également été rapportée. Les résultats montrent un durcissement par précipitation très élevée à 300°C pour le composite ST40 et une valeur maximale de la dureté à 350ºC pour le composite SZT40. Pour le long recuit, le renforcement du composite ST40 se fait à 250ºC pour un temps de maintien de 2000h enfi n, le composite SZT40 reste stable à 300ºC pour le même temps de recuit.

En conclusion, l’observation de l’évolution des précipités révèle que le grossissement des précipités existants dans la matrice à température élevée peut être la raison principale de la dégradation des propriétés mécaniques.

Jing Lai, Zhan Zhang,

X.-Grant Chen,Industrial Chair in Metallurgy of

Aluminium Transformation, Université du Quebec

à Chicoutimi

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The present work is focused on characterizing the type and ratio of Fe intermetallic phases that appeared at diff erent positions of a commercial AA5657 DC cast ingot, which is widely used in bright trim and anodizing fi elds. Characterization including quantifi cation of Fe intermetallic phases is a real technique challenge in the aluminum industry. The Fe intermetallic phases can be misidentifi ed based on only the morphology, because of their similar appearance and chemical composition. Thus, Electron Backscattered Diff raction (EBSD) technique is brought in to characterize and quantify the phases. Results show that four Fe intermetallic phases such as AlmFe, Al8Fe2Si, Al6Fe and Al3Fe exist in AA5657 alloy ingots. The distribution of Fe intermetallic phase particles at diff erent positions in a commercial ingot is also reported.

Le présent travail porte sur la caractérisation des phases intermétalliques de fer qui se forment en diff érentes positions dans un lingot d’alliage commerciale AA5657. La caractérisation et la quantifi cation des phases intermétalliques de fer est un défi technique à l’heure actuelle. Les phases sont diffi ciles à identifi er en raison de leur apparence et de leur composition chimique similaire. La technique de diff raction d’électrons (EBSD) est utilisée pour caractériser et quantifi er les phases. Les résultats montrent que quatre phases intermétalliques de fer existent dans un lingot d’alliage AA5657. Les diff érentes distributions de particules de la phase intermétalliques de fer dans un lingot commerciale sont également rapportées.

GaoFeng Li, Zhan Zhang,X.-Grant Chen,Industrial Chair in Metallurgy of Aluminium Transformation, Université du Québec à Chicoutimi

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PRIX

AWARD


The iron-rich intermetallics often precipitate in the cast microstructure due to the low solubility of iron in the aluminum alloys. Also, the oxides are stable solid inclusions in liquid aluminum and oxide fi lms with two sides, a dry side and a wet side, and often form during liquid processing of aluminum. Usually, these oxide fi lms are present in the form of cracks in the microstructure. In the present work, the nucleation of the iron-rich intermetallics on oxide fi lms in Al-4.5 wt. % Cu 206 type alloy with 0.3%Fe is investigated using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). Also, the planar disregistries between typical oxide fi lms and iron-rich intermetallics have been calculated. The results show cracks are frequently observed in both α-Fe and β-Fe intermetallics in cast 206 alloy indicating their nucleation on oxide fi lms. Additionally, it was found that the planar disregistries calculated between the typical oxide fi lms and two iron-rich intermetallics are all lower than 11%, confi rming the proposed nucleation mechanism.

Les intermétalliques riches en fer se précipitent souvent dans la microstructure coulée en raison de la faible solubilité du fer dans les alliages d’aluminium. En outre, les oxydes sont des inclusions stables et solides en alliage d’aluminium liquide et de fi lms d’oxyde à deux côtés, un côté sec et un côté humide, souvent sous forme liquide au cours du traitement de l’aluminium. Habituellement, ces fi lms d’oxyde se présentent sous la forme de fi ssure dans la microstructure. Dans ce travail, la germination des intermétalliques riches en fer sur les fi lms d’oxyde d’alliage Al-4.5 wt. % Cu de type 206 avec 0.3%Fe a été examinée en utilisant la microscopie optique et la microscopie électronique à balayage (MEB). Les résultats montrent que des fi ssures sont fréquemment observées dans les deux phases intermétalliques α-Fe et β-Fe dans les alliages 206 moulés indiquant la germination des les phases intermétalliques sur des fi lms d’oxyde.

Kun Liu, X.-Grant Chen,

Industrial Chair in Metallurgy of Aluminium Transformation,


Xinjin Cao,Aerospace Manufacturing

Technology Center, NRC Institute for Aerospace Research

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Cryomilled nanostructured Aluminium-Silicon powder was consolidated using a rapid sintering technique, Spark Plasma Sintering (SPS). Spark plasma sintering is a pressure-assisted sintering process that off ers signifi cant advantages over conventional powder sintering techniques. A pulsed current is passed through the powder bed, which heats the sample through resistance heating. The mechanism behind the SPS process is yet to be fully understood and as such, much research is being undertaken to discover and model the processes at work. Four main factors are believed to be responsible for densifi cation during SPS. These include the eff ect of an external load on diff usion, the eff ect of particle surface tension on diff usion, the eff ect of current on the electromigration and the eff ect of high temperature creep. Sintered compacts were also characterized by dynamic hardness and nano-impact testing to determine the impact properties.

Des poudres nanostructurées fabriquées par broyage cryogénique ont été consolidées par frittage à chaud avec champ électrique pulsé (SPS). Le SPS est un procédé de frittage sous pression qui off re des avantages considérables comparativement aux procédés de frittage conventionnels. Une impulsion électrique est transmise à travers le lit de poudre, qui induit un chauff age par résistance interne. Le mécanisme de SPS n’est pas entièrement compris et beaucoup de recherches se font pour découvrir et modéliser les mécanismes de frittage. Quatre facteurs principaux sont considérés responsables pour la densifi cation durant le SPS. Il s’agit notamment de l’eff et d’une charge externe sur la diff usion, l’eff et de la tension superfi cielle des particules sur la diff usion, l’eff et du courant sur l’électromigration et l’eff et de fl uage à haute température. Les compacts frittés ont également été caractérisés par essai de dureté dynamique et essai de nano-impact pour déterminer les propriétés de résistance à l’impact.

Jason Milligan, Mathieu Brochu,Department of Mining and Materials Engineering, McGill University

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The aluminium-lithium (Al-Li) alloy 2099-T83 was recently developed by Alcoa and Bombardier to compete with composites and traditional aluminium alloys in diff erent aerospace applications. Aircraft in service are constantly confronted with fl uctuating loads which could damage the material by fatigue crack propagation (FCP). The strong crystallographic texture that develops in Al-Li alloys after extrusion aff ects both the FCP rates and their direction, also contributing to the anisotropy in the cracking behavior. Moreover, this infl uence on the FCP behavior may become increasingly complex as the texture varies as a function of the geometries of the mechanically processed alloy. Recent studies indicate that dissimilar texture from diff erent cross-sections could aff ect the FCP behavior of extruded aluminium alloys. However, the mechanisms by which this texture infl uences the FCP behavior still need to be clarifi ed. In the present study, a series of FCP rate tests were performed on two rectangular extrusion cross-sections of 2099-T83 Al-Li alloy to examine, in regard to the alloy forming process, the infl uence of both the local texture and the microstructure on FCP rates. The results indicate that the possible mechanisms responsible for FCP rate diff erences are related to the changes in cross-section aspect ratios (width to thickness) which could infl uence the texture and microstructural features.

L’alliage d’aluminium-lithium (AL-Li) 2099-T83 a récemment été développé par Alcoa et Bombardier, afi n de concurrencer les composites et les alliages d’aluminium traditionnels dans les applications aéronautiques. En service, les avions sont constamment confrontés à des sollicitations fl uctuant au cours du temps, pouvant ainsi les endommager par la propagation de fi ssures de fatigue. La forte texture cristallographique découlant de l’extrusion de ces alliages aff ecte signifi cativement les vitesses et la direction de fi ssuration par fatigue et contribue à l’anisotropie du comportement en fi ssuration. Aussi, cette infl uence peut devenir de plus en plus complexe à mesure que la texture varie avec la mise en forme de l’alliage. Une récente étude indique qu’une texture dissimilaire des sections d’extrusion d’alliages d’aluminium pouvait aff ecter le comportement de fi ssuration par fatigue. Toutefois, les mécanismes par lesquels cette texture aff ecte ce comportement nécessitent encore d’être clarifi és. Dans la présente étude, une série d’essais de fatigue propagation a été eff ectuée sur deux sections rectangulaires de l’alliage 2099-T83 d’Al-Li extrudé afi n d’examiner, en relation avec la mise en forme de l’alliage, l’infl uence de la texture locale et de la microstructure sur la cinétique de fi ssuration par fatigue. Les résultats montrent que les possibles mécanismes responsables des diff érences observées sur la cinétique de fi ssuration sont liés aux diff érents rapports de formes imposés (largeur/épaisseur), ces derniers ayant un impact direct sur la texture et les aspects microstructuraux.

Franck Armel Tchitembo Goma, Daniel Larouche,

Centre de recherche sur l’aluminium-REGAL,

Université Laval

Raynald Gauvin,Centre de recherche sur

l’aluminium-REGAL, McGill University

Julien Boselli,Alcoa Technical Center

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Since the primary Mg2Si phase possesses a low density, low thermal expansion coeffi cient, high hardness and a reasonably high elastic modulus, Mg is considered as a potential alloying element for the development of an in-situ Al/Mg2Si Metal Matrix Composite. It is expected that Al/Mg2Si metal matrix composites are good candidates to replace hypereutectic Al-Si alloys or Al-SiC composites used in aerospace and automotive applications.

In the present work, micro-structural evolution of the hypereutectic Al-Si-Cu system with high magnesium content was investigated using optical microscopy, SEM and image analysis. The concentration of Mg varied between 6 wt % and 15 wt %. The results reveal that, towards higher Mg content, the primary Mg2Si progressively replaces the primary Si phase. It is found that with increasing Mg additions in hypereutectic Al-15Si-4Cu alloy, the size of primary Mg2Si particles increases considerably and the morphology of Mg2Si phase changes from a polygonal shape to a dendritic form. With the increase of Mg levels, the volume fraction of primary Si decreases, while the volume fraction of primary Mg2Si increases signifi cantly.

Depuis qu’il a été montré que la phase primaire Mg2Si possède une faible densité, un faible coeffi cient de dilatation thermique, une dureté élevée et un module d’élasticité assez élevée, le Mg est considéré comme un élément d’alliage potentiel pour le développement des composites à matrice métallique Al/ Mg2Si in-situ. En outre, il est attendu que les composites à matrice métallique Al/ Mg2Si soient les dignes successeurs des alliages hyper eutectiques Al-Si ou des composites Al-SiC, souvent utilisés dans les domaines automobile et aérospatial.

Dans ce présent travail, l’évolution microstructurale du système hyper eutectique Al-Si-Cu à teneurs élevées en magnésium a été examinée en utilisant l’analyse d’image, la microscopie optique et électronique. Les concentrations de Mg ont été variées entre 6 et 15%. Les résultats montrent que lorsqu’on se dirige vers des teneurs élevées en Mg, la phase primaire Si est progressivement remplacée par la phase Mg2Si. Il a été trouvé que l’augmentation de la teneur en Mg dans l’alliage Al-15Si-4Cu, induit une nette augmentation de la taille des particules Mg2Si et un changement de la morphologie de la phase Mg2Si. En eff et la morphologie de la phase Mg2Si change d’une forme polygonale vers une forme dendritique. Avec l’augmentation de la teneur en Mg, la fraction volumique de Si primaire baisse considérablement, tandis que celle de Mg2Si primaire augmente de manière signifi cative.

Mehand Tebib,X.-Grant Chen,Industrial Chair in Metallurgy of Aluminium Transformation, Université du Québecà Chicoutimi

Frank Ajersch,École polytechnique de Montréal

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The combination of two versatile processing routes: cryomilling and spark plasma sintering (SPS) was employed in the present study for fabrication of bulk nanostructured Al2024 alloy and Al5356-B4C metal-matrix nanocomposites (MMC). This approach resulted in large microhardness values and fl exural strengths in the consolidated samples. While cryomilling provided the combined advantage of nanostructuring of the Al-phase in both the monolithic alloy and the nanocomposite as well as a homogenous dispersion of the reinforcement in the matrix for the MMCs, the SPS facilitated the solid state consolidation in one single step at very high sintering rates and very short dwelling times. No additional processing steps such as forging or hot extrusion were necessary to achieve a well consolidated bulk part. The resulted samples exhibited high relative densities i.e. 96% for the monolithic alloy and a grain size of 70nm, as well as 99% for the MMCs at a grain size of 92nm. High values of microhardness 3.8 times higher than the monolithic micron sized un-reinforced alloy was exhibited by the Al-2024 consolidated material. Additionally a two-step SPS sintering profi le treatment applied to the MMCs resulted in 100% relative density at a grain size of only 73nm, microhardness values of 246.5HV and fl exural strengths of 710MPa. The obtained results show that the combination of the two processes could be successfully applied to fabricate nanostructured monolithic as well as nanocomposites Al-bulk parts.

La combinaison de deux techniques versatiles: broyage cryogénique et le frittage fl ash (SPS) a été utilisé dans la présente étude pour la fabrication des pièces massives nanostructures pour les alliages Al2024 et des matériaux composites nanostructurés à matrice métallique ns (CMM)s Al-5356/B4C. Cette approche augmente les valeurs de microdureté et de résistance à la fl exion des échantillons consolidés. Le broyage cryogénique fournit l’avantage combiné de la réduction de la taille des grains de la phase d’Al dans l’alliage monolithique et les nanocomposites, ainsi que la dispersion homogène du renfort dans la matrice dans les composites. La technique SPS permet la consolidation à l’état solide en une seule étape à des taux de chauff ages rapides et des temps de séjour courts. Aucune étape de traitement supplémentaire telles que le forgeage ou extrusion à chaud n’a été nécessaire pour fabriquer les pièces massives. Les échantillons produits ont montré des densités théoriques élevées c.-à-d. 96% pour l’alliage 2024 combinées à une taille de grains de 70nm. Pour les composites, une densité théorique de 99% a été obtenue combiné à une taille de grain de 92nm. Les valeurs élevées de microdureté sont 3,8 fois plus élevées que l’alliage Al-2024. De plus, un cycle de frittage SPS en deux étapes imposé aux composites a généré des échantillons possédant une densité théorique de 100%, une taille de grain de 73nm, une microdureté de 246.5HV et une résistances à la fl exion de 710MPa. Les résultats obtenus montrent que la combinaison des deux procédés peut être appliquée avec succès pour la fabrication de pièces massives nanostructurés monolithiques ainsi que des nanocomposites à base d’Al.

Ramona R. Vintila,Mathieu Brochu,

Department of Metals and Materials Engineering,

McGill University

Alex Charest,Department of Mechanical

Engineering, University of Ottawa

Robin A.L. Drew,Department of Engineering and

Computer Science, Concordia University

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This study was conducted with the intention of investigating a new Al-10.8%Si experimental alloy, namely the 396 alloy, with regard to the changes in the machinability criteria resulting from the eff ects of two levels of Cu addition, namely 2.25% and 3.5%, and two levels of Mg addition, namely 0.3% and 0.6%. In addition, the eff ects of Mg-free alloys and Sr-modifi cation on these same alloys were also investigated. The pertinent machinability criteria relate to the total cutting forces and moments, tool life expressed as the number of holes drilled/tapped up to the point of tool breakage, chip confi guration, and built-up edge (BUE) evolution. The results demonstrate that the increase in the levels of Cu and/or Mg in the 396-T6 alloy has a detrimental eff ect on drill life. Such an eff ect may be attributed to the formation of large amounts of the coarse blocklike Al2Cu phase, together with the formation of thick plates of the Al-Si-Cu-Mg phase. The Mg-free experimental alloy displays the lowest cutting force and moment in addition to producing the highest number of holes among the alloys studied. This observation may be explained by the cooperative precipitation of the Al2Cu, Mg2Si, Al2CuMg, and Al5Si6Cu2Mg8 hardening phases in Mg-containing alloys which confer greater strength on the alloy than would be the case with the precipitation of only the Al2Cu phase in the Mg-free alloy.

Cette étude a été menée avec l’intention d’étudier un nouvel alliage expérimental Al-Si 10,8%, à savoir l’alliage 396, en ce qui concerne les changements dans les critères d’usinabilité résultant des eff ets de deux niveaux de Cu, à savoir 2,25% et 3,5%, et deux niveaux de Mg, à savoir 0,3 et 0,6%. En outre, les eff ets des alliages sans Mg et modifi és au Sr sur ces mêmes alliages ont également été étudiés. Les critères d’usinabilité pertinents sont la force et le moment de coupe, la durée de vie de l’outil exprimée en nombre de trous forés / taraudés jusqu’au point de rupture de l’outil, la confi guration des copeaux et l’évolution de l’arrête rapportée (BUE). Les résultats démontrent que l’augmentation des niveaux de Cu ou de Mg dans l’alliage 396-T6 a un eff et néfaste sur la durée de vie des forets. Un tel eff et peut être attribué à la formation d’une grande quantité de blocs grossiers de la phase Al2Cu et de plaques épaisses de la phase Al-Si-Cu-Mg. L’alliage expérimental sans Mg affi che les plus faibles forces et moments de coupe en plus de produire le plus grand nombre de trous parmi les alliages étudiés. Cette observation peut s’expliquer par la précipitation des phases durcissantes Al2Cu, Mg2Si, Al2CuMg et Al5Si6Cu2Mg8 dans les alliages contenant du Mg qui leur confèrent une plus grande résistance que ce ne serait le cas avec seulement la précipitation de la phase Al2Cu dans les alliages sans Mg.

Yasser Zedan,Agnès-Marie Samuel,Université du Québec à Chicoutimi

Fawzy-Hosny Samuel,Université du Québec à Chicoutimi Center of Excellence for Research in Engineering Materials, College of Engineering, King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia

Herbert W. Doty,GM Powertrain Group, Metal Casting Technology, Inc., Milford

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Due to economic and environmental factors of primary aluminium production, aluminium recycling is an emerging an important fi eld in various industries. It is especially important in the aerospace industry where a myriad of high value alloys are shredded and must be processed effi ciently. This study aims to investigate the direct use of reclaimed aluminium metal for producing nanostructured materials. Metal chips are produced from a binary Al-Mg alloy by machining processes and consolidated with a spark plasma sintering process. Machining produces high levels of strain in the material, resulting in metal chips with an ultra-fi ne grained structure that is controlled by the machining parameters selected. Additional grain refi nement is achieved by ball milling at cryogenic conditions (cryomilling) before fi nal consolidation. The eff ects of time and temperature during the sintering process are investigated to optimize density while minimizing grain growth in the fi nal product.

En raison de facteurs économiques et environnementaux liés à la production d’aluminium primaire, le recyclage de l’aluminium est un nouveau domaine d’importance dans diverses industries. Il est particulièrement important dans l’industrie aérospatiale où des myriades d’alliages de haute valeur sont déchiquetées et doivent être traitées effi cacement. Cette étude vise à étudier l’utilisation directe de l’aluminium récupéré pour produire des matériaux nanostructurés. Des copeaux métalliques sont produits à partir d’un alliage binaire Al-Mg par des procédés d’usinage et consolidés par un procédé de frittage sous pression assisté par un courant direct pulsé (SPS). Les procédés d’usinage produisent des niveaux élevés de déformation dans le matériau résultant de copeaux de métal avec une structure à grains ultra-fi ns qui est contrôlée par les paramètres d’usinage sélectionnés. La réduction subséquente de la taille de grain est obtenue par broyage à billes dans des conditions cryogéniques (cryobroyage) avant la consolidation fi nale. Les eff ets du temps et de la température pendant le procédé de frittage sont étudiés pour optimiser la densité tout en réduisant la croissance des grains dans le produit fi nal.

Bamidele Akinrinlola, Mathieu Brochu, Raynald Gauvin,

Department of Mining and Materials Engineering,

McGill University

58 DÉVELOPPEMENT, OPTIMISATION ET INTÉGRATION DES PROCÉDÉS DE FABRICATION ET DE CONCEPTIONDEVELOPMENT, OPTIMIZATION AND PROCESS INTEGRATION OF MANUFACTURING AND DESIGN

DÉVELOPPEMENT, OPTIMISATION ET INTÉGRATION DES PROCÉDÉS DE FABRICATION ET DE CONCEPTIONDEVELOPMENT, OPTIMIZATION AND PROCESS INTEGRATION OF MANUFACTURING AND DESIGN

Tubes with a complex geometry play a very important role in the transportation industry. One of the fastest and least expensive methods for producing these kinds of tubes is the tube hydroforming process (THF), which is usually accompanied by some preliminary steps like tube drawing, bending and annealing heat treatment processes. Based on the research performed on the THF process during the last decade, the success of this process not only depends on the appropriate selection of hydroforming parameters but also on the preceding processes before THF. In this project, a global algorithm was developed for the THF process and all related processes to produce a faultless part at the end. The general objectives of this project can be summarized as follows:

1. Presenting a new method for increasing manufacturing productivity in Québec and Canada based on an integrated process to bring the processes of drawing, bending and hydroforming complex-shaped tubes to an industrial level.

2. Experimental validation of results and development of a methodology for making use of simulation in design of manufacturing parameters in the production of complex structural tubes in the transportation industry.

3. Development of virtual manufacturing and feedback which can be given to component designers to enable them to design more complex tubes if necessary.

Les tubes de forme complexe jouent un rôle important dans l’industrie du transport grâce à leurs excellentes performances. L’hydroformage de tubes (THF) est l’une des méthodes de mise en forme les plus rapides et les moins coûteuses permettant de fabriquer ce genre de tube. Cette méthode nécessite une/des étape(s) de préformage (comme l’étirage, le pliage, le traitement thermique…) avant de placer les tubes dans le moule d’une presse d’hydroformage. Ces dernières années, de nombreuses études ont été réalisées sur le THF et ont montré que le succès de fabrication des tubes de dimensions et de formes souhaitées dépend non seulement des paramètres choisis, mais également des étapes de préformage utilisées.Les objectifs généraux de notre étude sont les suivants:

1. Proposer une nouvelle méthode afi n d’augmenter la productivité manufacturière au Québec et au Canada en se basant sur la conception intégrée des procédés afi n d’amener les procédés d’étirage, de pliage et d’hydroformage de tube de forme complexe à un niveau industriel.

2. Valider expérimentalement les résultats de ce projet de recherche et fournir des directions de solution afi n d’exploiter les résultats liés à la simulation des procédés de mise en forme de tubes de structure complexe.

3. Développer des méthodes de fabrication virtuelle de tubes qui permettent de concevoir les tubes de formes plus complexes si nécessaire.

Reza Bihamta,Quang-Hien Bui,Mario Fafard, Michel Guillot,Aluminium Research Centre - REGAL, Laval University

Ahmed Rahem,Guillaume D’Amours,National Research Council Canada, Aluminium Technology Centre

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Low surface energy coatings that have an optimal topography arising from the presence of micro-nano-patterns developed at the Centre Universitaire de Recherches sur l’Aluminium (CURAL) laboratory, in association with the Anti-Icing Materials International Laboratory (AMIL), demonstrate superhydrophobic properties. These coatings have tremendous potential in many applications, especially in aerodynamics, in reducing drag and reducing energy consumption. In the present study, silica nanoparticles were produced using a solution of tetraethylorthosilicate (Si(OC2H5)4) in the base medium utilizing a modifi ed Stöber process. These silica nanoparticles were further modifi ed in the solution by adding fl uoroalkylsilane (FAS-17) molecules to incorporate fl uorine in the silica. Multilayers of the fl uorine-incorporated silica nanoparticles were spin-coated onto aluminum substrates and dried below 100°C. Morphological analysis using scanning electron microscopy (SEM) revealed the presence of monodispersive, well-organized silica nanoparticles on aluminum surfaces. The presence of fl uorine in the coatings was confi rmed by Fourier transform infra-red spectroscopy (FTIR) analysis. The water drops were found to roll off of these surfaces and the contact angle measurements revealed water contact angle values greater than 150°.

Un revêtement à faible énergie de surface ayant une topographie optimale résultant de la présence de micro-nano-motifs développé au Centre Universitaire de Recherches sur l’aluminium (CURAL) en association avec le Laboratoire International des Matériaux Antigivre (LIMA) démontre des propriétés superhydrophobes. Ce revêtement possède un potentiel considérable dans de nombreuses applications notamment en aérodynamique, car il pourrait réduire signifi cativement la traînée entraînant une diminution de la consommation d’énergie. Dans le présent projet, des nanoparticules de silice ont été produites à partir d’une solution de tétraéthyleorthosilicate (Si(OC2H5)4) dans un milieu basique en utilisant le procédé Stöber modifi é. Ces nanoparticules de silice ont été modifi ées en y agglomérant des molécules de fl uorine à partir d’une solution du fl uoroalkylsilane (FAS-17). Plusieurs couches du revêtement superhydrophobe ont été déposées sur un substrat d’aluminium par enduction centrifuge. L’analyse morphologique par microscopie électronique à balayage (MEB) a révélé la présence de nanoparticules de silice réparties de façon organisée sur la surface en aluminium. La présence de composés fl uorine dans le revêtement a été confi rmée par spectroscopie de Fourier infrarouge (FTIR). Un essai de mouillabilité, où il a été observé que l’eau roulait à la surface de l’aluminium, a permis de confi rmer la superhydrophobicité du revêtement avec un angle de contact supérieur à 150°.

Jean Denis Brassard,Laboratoire international des

matériaux anti-givre (LIMA)Centre universitaire de


à Chicoutimi

Jean Perron,Guy Fortin,

Laboratoire international des matériaux anti-givre (LIMA)

Dilip K. Sarkar,Centre universitaire de


à Chicoutimi

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PRIX AXE 3

AXE 3 AWARD


During the solution treatment, the distortion of heat-treated pieces can cause some quality problems in aluminium products. In the present work, the distortion of Duralcan rolling plates under diff erent quenching conditions is investigated. The macrohardness of the material with diff erent quenching is also evaluated. The results show that the distortion of rolling plates increases with the increase of quenching rates, and that the macrohardness of materials decreases with reduced quenching rates. Using a mild quenching condition, for example, forced air plus mist, the distortion can be controlled to a minimum, while reasonable mechanical properties can be maintained.

Pendant la mise en solution, la distorsion des pièces, ayant subit un traitement thermique, peut être la source de certains problèmes liés à la qualité des produits en aluminium. Dans le présent travail, la distorsion des plaques de Duralcan laminées sous diff érentes conditions de trempe a été examinée. La dureté du matériau à diff érentes trempes est également évaluée. Les résultats montrent que la distorsion des plaques laminées augmente avec l’augmentation des taux de refroidissement. Cependant, la dureté des matériaux diminue avec la dégradation des taux de refroidissement. En utilisant une trempe plus légère, comme par exemple, l’air forcé avec un brouillard d’eau, cela permet de minimiser la distorsion alors que les propriétés mécaniques du matériel peuvent être maintenues raisonnablement.

Mathieu Brisson,X.-Grant Chen,Centre universitaire de recherche sur l’aluminium (CURAL), Université du Québec à Chicoutimi

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The metal matrix composite (MMC) of B4C and Al gained importance in the aluminium industry because it can be used in high performance applications. During the fabrication of this composite, the interfacial reactions between Al and B4C consume B4C and reduce the quality of the composite. In addition, B4C is not wetted well by liquid aluminium.

In order to overcome these problems, Ti is added to aluminium. Ti reacts with B4C and forms a product layer around the B4C particles and protects the particles from reacting further. For a good quality composite, this layer has to be wetted by Al.

In this project, the possibility of using Zr as an alloying element instead of Ti is studied. The wetting experiments are carried out using the ‘sessile-drop’ method. The contact angles between B4C particles and Al alloy containing 1%, 1.5% and 3% Zr were measured at 750°C and 850°C.

The results show that the wettability of B4C decreases with increasing temperature and Zr content. The eff ect of Zr content is probably due to the formation of reaction products at the interface. It is observed that this reaction product contains diff erent phases at diff erent temperatures. It is a cubic phase at 750°C, whereas the phase is needle type at 850°C. These probably change the characteristics of the particle surface therefore aff ecting the wettability of the particles by aluminium.

Le composite à matrice métallique (CMM) de B4C avec l’aluminium a gagné en importance dans l’industrie de l’aluminium, car il peut être utilisé dans des applications de haute performance. Pendant la fabrication de ce composite, les réactions interfaciales qui ont lieu entre Al et B4C, consomment le B4C et réduisent la qualité du composite. De plus, le B4C n’est pas bien mouillé par l’aluminium liquide.

Afi n de surmonter ces problèmes, le titane (Ti) est ajouté à l’aluminium. Le Ti réagit avec le B4C et forme une couche de produit autour des particules de B4C et protège ces dernières en empêchant des réactions ultérieures. Pour un composite de bonne qualité, cette couche doit être mouillée par l’aluminium.

Dans ce projet, la possibilité d’utiliser le zirconium (Zr) en tant qu’élément d’alliage au lieu du Ti est étudiée. Les expériences de mouillabilité sont eff ectuées en utilisant la méthode de « goutte-sessile ». Les angles de contact entre les particules de B4C et les alliages d’Al-Zr qui contiennent 1%, de 1.5% et 3% de Zr ont été mesurés à 750°C et à 850°C.

Les résultats démontrent que la mouillabilité du B4C a été diminuée avec l’augmentation de la température et du pourcentage de Zr. Cela est probablement dû aux produits de réactions qui se forment à l’interface. La formation de diff érentes phases a été observée à diff érentes températures. Il y a une phase dite “cubique” à 750°C et une autre phase en forme d’aiguille à 850°C. Ceux-ci changent probablement les caractéristiques à la surface des particules et, par conséquent, aff ectent la mouillabilité des particules par l’aluminium.

Mathieu Brisson, Duygu Kocaefe,

X.-Grant Chen,Centre universitaire de


à Chicoutimi

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The manufacturing process of tube hydroforming (THF) allows the production of complex geometries with a variable section optimized as a function of part loading. To adequately predict the in-service part behaviour, the part’s geometry and its manufacturing sequence must be taken into account. The current project aims to develop a virtual tool capable of predicting the fi nal properties of 7075 aluminium complex geometries after hydroforming. This tool will be used to reduce the weight of actual components as well as lowering the amount of physical prototypes needed. The approach taken not only consists of developing a virtual tool but also in conceiving the needed equipment in order to produce complex geometries and validate the virtual simulations. Ultimately, this will be used to manufacture aeronautic components in order to demonstrate the gains on the weight of the fi nal part and on the manufacturing costs needed.

L’hydroformage de tube est un procédé de fabrication qui permet de produire des géométries à section variable optimisées en fonction des sollicitations présentes en service. Ceci étant dit, pour être en mesure de prédire adéquatement le comportement de la pièce en service, il faut non seulement contrôler sa géométrie mais également tenir compte des eff ets des étapes de sa fabrication. Le présent projet vise donc à développer un outil de simulation virtuel qui permettra d’établir adéquatement les propriétés fi nales de géométries complexes hydroformées en aluminium 7075 permettant ainsi une conception plus optimisée en plus de réduire le nombre de prototype physique nécessaire. La démarche employée vise à la fois le développement de l’outil de simulation mais également la fabrication d’outillages permettant la production de géométrie complexe afi n de valider et calibrer le modèle numérique. Ceci sera ultimement appliqué à des composantes aéronautiques présentement en service et il sera possible de visualiser les gains potentiels sur la pièce fi nale ainsi que sur les coûts de fabrication engendrés.

Dave Demers, Xavier Élie-Dit-Cosaque, Jeremie Ouellet, Julie Lévesque,Michel Guillot,Augustin Gakwaya,Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval

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Dry machining of metal alloys such as aluminium alloys, adopted by the manufacturing industry to boost productivity, reduce environmental impact and machining costs. In spite of the fact that this practice eliminates the production of liquid aerosols, solid aerosol remains. The high concentration of ultrafi ne particles in the air may have adverse eff ects on human health. These particles are heterogeneous and their sizes range from a few nanometers to ten micrometers. Their shapes are also varied, which makes sampling and emission studies more complex. Many instruments are currently used to characterize and sample ultrafi ne particles and aerosols, but they are based on assumptions that do not always stick to the practice (the spherical shape and density). The results obtained by measuring instruments must be validated.

The purpose of this project is to develop an eff ective methodology for correcting the raw data obtained and applying the method to study the machining of 6061-T6, 7075-T6 and 2024-T351 aluminium alloys. Full slot milling machining operations are performed with TiCN, TiAlN and TiCN+Al2O3+TiN coated cutting tools. The metric used to characterize ultrafi ne particles is the mass. It was found that machining with a high cutting speed and a low cut depth gives the most economical performance and best meets environmental needs.

L’usinage à sec des alliages métalliques, comme les alliages d’aluminium, adopté par l’industrie manufacturière a des avantages sur la productivité, l’environnement et sur les coûts de fabrication. Malgré l’utilisation de ce procédé qui élimine la production des aérosols liquides, l’aérosol solide est produit. De fortes concentrations des particules ultrafi nes dans l’air peuvent avoir des eff ets négatifs sur la santé. Ces particules constituent un ensemble hétérogène dont la taille varie de quelques nanomètres à une dizaine de micromètres. Leurs formes sont aussi variées, ce qui rend complexe l’échantillonnage et les études sur les émissions. De nombreux instruments existent aujourd’hui pour caractériser et échantillonner les particules ultrafi nes et les aérosols, mais ils sont basés sur des hypothèses qui ne collent pas toujours avec la pratique (la forme sphérique des particules et leur densité réelle). Les résultats obtenus par les instruments de mesure doivent être corrigés pour être signifi catifs.

Le but de ce projet est de développer une méthodologie effi cace de correction des données brutes obtenues par les instruments de mesure et d’appliquer la méthode à l’étude de l’usinage des alliages d’aluminium 6061-T6, 7075-T6 et 2024-T351. L’opération de rainurage est eff ectuée avec des outils de coupe revêtus de TiCN, de TiAlN et de TiCN+Al203+TiN. La métrique utilisée pour caractériser les particules ultrafi nes est la masse spécifi que. Enfi n, il est recommandé d’usiner à grande vitesse avec de faible profondeur de coupe, par ce que ces paramètres off rent un bon rendement économique et répondent aux besoins écologiques.

Djebara Abdelhakim, Victor Songmene,

Riad Khettabi, Seyed Ali Niknam,

École de technologie supérieure

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65DÉVELOPPEMENT, OPTIMISATION ET INTÉGRATION DES PROCÉDÉS DE FABRICATION ET DE CONCEPTION

DEVELOPMENT, OPTIMIZATION AND PROCESS INTEGRATION OF MANUFACTURING AND DESIGN

Nowadays, structural components are becoming more and more complex to respond to the needs of increased strength and new regulations in the transportation industry. Advanced metal-forming processes have to be used in order to produce these components. Here is a review of the many steps taken to produce the main structural component of a bus seat backrest. Numerical models have been created to predict the behavior of the metal used, and also to reduce the time needed to begin manufacturing. A methodology is also proposed to optimize the hydroforming process. Finally, many tubes were successfully fabricated using aluminium tubes in the 6061-O and 6061-F states.

Les composants structuraux maintenant requis pour répondre aux besoins de résistance et de sécurité dans le secteur du transport terrestre sont de plus en plus complexes. Afi n de pouvoir produire ces pièces, il faut souvent utiliser des procédés de mise en forme complexes. Les travaux présentés font état des diff érentes étapes accomplies pour produire une structure tubulaire d’un dossier de banc d’autobus ayant une géométrie optimisée. La conception de modèles numériques a été nécessaire afi n de prédire le comportement du matériau lors de la mise en forme et aussi pour réduire le temps de mise en service de l’outillage. Une méthodologie a été proposée pour eff ectuer l’optimisation du procédé d’hydroformage. Finalement, plusieurs tubes ont été produits à partir de tubes d’aluminium 6061-O et 6061-F.

Guillaume Filion,Michel Guillot,Université Laval

Guillaume d’Amours,Centre des technologiesde l’auminium,IMI-CNRC


The process of anodizing gives the opportunity to protect the surface of aluminium alloys against abrasion and corrosion. This protection is created by the control of the formation of the product of metal oxidation. Several parameters infl uence the growth, the thickness and the morphology of the oxide.

The company Megatech has two mains objectives in this project: reducing the variability of the oxide thickness in the cell and understanding the eff ect of microstructure on the formation of oxide.

The adoption of a new type of agitation standardized the anodic oxide thickness in the anodizing cell. Then, it was observed that the diff erent microstructures present in an extruded piece infl uenced the growth of the oxide. Because of confi dentiality, the results are not present on the poster.

L’anodisation est un procédé électrochimique qui permet de protéger la surface d’un alliage d’aluminium contre l’abrasion et la corrosion. Cette protection est faite par le contrôle de la formation des produits d’oxydation du métal. Plusieurs paramètres infl uencent la croissance de l’oxyde, son épaisseur et sa morphologie.

La compagnie Mégatech à deux principaux objectifs : réduire la variabilité de l’épaisseur d’oxyde dans la cellule et comprendre l’eff et de la microstructure du métal sur la formation de l’oxyde.

L’adoption d’un nouveau type d’agitation a permis d’uniformiser le dépôt dans la cellule d’anodisation. Ensuite, il a été observé que les diff érentes microstructures présentes sur une pièce extrudée infl uençaient diff éremment la croissance de l’oxyde. Pour cause de confi dentialité, les résultats ne sont pas présents sur l’affi che.

François Gilbert, Edward Ghali,

Dominique Dubé, Université Laval

Steve Fontaine, Jean Blanchet,

Atelier d’Usinage Megatech AQ Inc.

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67DÉVELOPPEMENT, OPTIMISATION ET INTÉGRATION DES PROCÉDÉS DE FABRICATION ET DE CONCEPTIONDEVELOPMENT, OPTIMIZATION AND PROCESS INTEGRATION OF MANUFACTURING AND DESIGN

The corrosion behavior of Al-B4C metal matrix composites in 0.5 M K2SO4 solution was investigated using electrochemical impedance spectroscopy and potentiodynamic polarization methods. Optical microscopy and scanning electron microscopy as well as profi lometry were employed to study the surface morphology of the material before and after corrosion. In order to elucidate the nature of the corrosion product generated on the surface during immersion, infrared refl ection-absorption spectroscopy (IRRAS) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used as complementary methods. It is observed that the Al-B4C composite shows a good corrosion resistance in the sulfate medium. In this environment, the formation of an Al(OH)3 fi lm is found to occur on the aluminium matrix. Polarization measurements have shown that SO4

2- species do not induce pitting of the material, even at the Al-B4C interface. However, Al-B4C interfaces are highly sensitive to the pitting attack by chloride ions.

Le comportement en corrosion du composite à matrice métallique Al-B4C a été étudié dans une solution 0.5 M K2SO4 en utilisant la spectroscopie d’impédance électrochimique et la polarisation potentiodynamique. La microscopie optique, de même que l’imagerie MEB-EDS et la profi lométrie, ont été utilisées afi n d’étudier la morphologie de la surface avant et après corrosion du substrat. Dans le but d’élucider la nature du produit de corrosion généré à la surface du composite, les spectroscopies infrarouges de réfl exion absorption (IRRAS) et de photoélectrons X (XPS) ont été mises en œuvre comme méthodes complémentaires d’analyse. Il a été constaté que le composite Al-B4C présente une bonne résistance à la corrosion dans le milieu aqueux sulfaté. Dans cet environnement, un fi lm de Al (OH)3 est généré à la surface de la matrice d’aluminium. De plus, les mesures de polarisation ont démontré que les espèces SO4

2- ne provoquent pas la piqûration du composite et ce même à l’interface aluminium-B4C. Cependant, cette interface s’est avérée hautement sensible à la corrosion par piqûres en présence d’ions chlorures.

YuMei Han,Industrial Chair in Metallurgy of Aluminium Transformation, Université du Québec à ChicoutimiNRC-Aluminium Technology Centre

X.-Grant Chen,Industrial Chair in Metallurgy of Aluminium Transformation, Université du Québecà Chicoutimi

Danick Gallant,Bernard Arsenault,NRC-Aluminium Technology Centre


Aluminium-lithium (Al-Li) alloy 2199 is a new generation low-density high-strength alloy developed by Alcoa for the aerospace and aeronautical industries. Lithium segregation and surface depletion has proven to be an issue during thermal processing of Al-Li alloys, therefore increasing the diffi culty of component manufacturing. When producing components for the aerospace or aeronautical industries, the low-density alloys typically result in high costs, therefore the buy-to-fl y ratio (ratio of the mass of material required to produce a part, to that of the fi nished part) is of the utmost importance. Solid Freeform Fabrication (SFF) off ers the ability to produce components in a near-net-shape manner, ultimately reducing the amount of scrap produced, and improving the buy-to-fl y ratio.

The objective of the proposed research project is to develop a SFF process capable of producing components of Al-Li alloy 2199, via the controlled-short-circuit metal inert gas (CSC-MIG) welding process. CSC-MIG welding off ers precise control over the heat-input during welding while maximizing deposition rates, and is therefore a promising candidate for the development of a welding based SFF process. The process will be optimized to reduce lithium segregation and depletion during component manufacturing.

L’alliage Al-Li 2199 est une nouvelle génération d’alliage aluminium-lithium à haute résistance et de faible densité développé par Alcoa pour l’industrie aérospatiale et aéronautique. La ségrégation du lithium ainsi que sa dégradation de surface sont des problèmes pour les procédés à haute température ce qui augmente la diffi culté de fabrication de composantes. Lors de la production de telles composantes, les alliages à faible densité peuvent entraîner des coûts élevés, donc le ratio «buy-to-fl y » (le rapport de la masse du matériel nécessaire pour produire une pièce à celle de la pièce fi nie) est d’une importance capitale. La fabrication en forme libre (FFL) off re la possibilité de produire des composantes presque fi nies, réduisant ainsi la quantité de déchets produits, et améliore le ratio « buy-to-fl y ».

L’objectif du projet de recherche proposé est de développer un procédé capable de produire des composantes en alliage 2199 via la FFL par le soudage CSC-MIG. Le soudage CSC-MIG off re un contrôle précis de la quantité de chaleur lors du soudage. Cela en fait un candidat prometteur pour le développement d’un tel procédé. Le procédé sera optimisé pour réduire la ségrégation et l’épuisement du lithium au cours de la fabrication de composantes.

David W. Heard, Mathieu Brochu,

Department of Mining and Materials Engineering,

McGill University

Julien Boselli,ALCOA, Pittsburgh

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In a world where energy saving is seen as an emergency, it is the duty of engineers and researchers to do all they can to solve the current problems with new solutions. A new coach seat backrest designed in partnership with the “Centre de Réalisation d’Outils Innovateurs” (C.R.O.I.), and built in aluminium, seems to go that way. In fact, reducing at least 20% of the total weight of the backseat, by using aluminium instead of steel, is the main goal of the project. Also, the seat backrest must have a three-point seat belt and must be produced by aluminium tube hydroforming. The research aim is, fi rst of all, to prove the feasibility of the project. Then, the design of the backrest must respect government laws and it must be easily assembled with other parts of the seat. To make sure that the backrest will respect these expectations, the engineering design method has been used. The project passed every step of this design method: the defi nition of specifi cations, the generation of solution principles, the design, the manufacturing and the testing. With promising simulations results, manufacturing has been done. These newly built backrests have been tested and results were better than expected.

Dans un contexte mondial où l’économie d’énergie semble devenir un problème urgent, il est du devoir des ingénieurs et des chercheurs de faire les eff orts nécessaires afi n de trouver diff érentes solutions aux problématiques actuelles. La conception, en partenariat avec le Centre de Réalisation d’Outils Innovateurs (C.R.O.I.), d’un dossier de banc d’autobus fabriqué en aluminium semble aller dans cette direction. En eff et, l’objectif principal est de réduire d’au moins 20% le poids du dossier, par rapport à ceux fabriqués en acier, tout en ayant comme caractéristiques principales une ceinture à trois points d’appui et une structure fabriquée en tube d’aluminium hydroformé. Le projet de recherche consiste donc à déterminer la faisabilité en plus de concevoir ce dossier en fonction des normes gouvernementales et selon les diff érents composants qui devront y être assemblés. La méthodologie du design a été utilisée pour sa conception. Ainsi, le projet a passé par diff érentes étapes, soit la défi nition du cahier de charges, la génération de solutions de principes, le design, la fabrication et les essais. Avec les résultats prometteurs des simulations, la fabrication a pu être faite. Les dossiers ainsi fabriqués ont été testés et les résultats ont été plus que satisfaisants.

Danick Lapointe,Jean Ruel,Guillaume Filion, Mario Fafard,Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL, Université Laval

Guillaume d’Amours,Centre des technologies de l’aluminium (C.T.A.)

Jean-François Tremblay,Centre de Réalisation d’Outils Innovateurs (C.R.O.I.)

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The Friction Stir Welding (FSW) uses the heat generated by the friction between a tool endowed with a shoulder and the material to be assembled to weld the metal. The main advantage is the fact that the temperature reached during the process remains lower than the melting point. Consequently, the modifi cation of microstructure and the heat-aff ected zone are reduced. Although it is possible to make welding tests and then analyze their effi ciency, the elaboration of a model allowing to predict the quality of the weld according to the parameters of welding would turn out as an important asset for the optimization of the process. At present, this optimization is mainly made by means of experiments done in laboratory. To elaborate a precise numerical model, various data must be collected during the welding.

In this project, an instrumented bench of welding for a conventional milling machine has been developed. This bench has a table of welding used to maintain various dimensions of aluminium samples and to instrument them. It is also possible to collect temperature distributions. The tool holder is instrumented with a slip ring and strain gages to measure the compression force and the torque during the experiments. Various tracers were also tested to follow the movement of the material.

Le soudage par friction malaxage consiste à utiliser la chaleur générée par la friction entre un outil doté d’un épaulement et le matériau à assembler pour réaliser la soudure. Le principal avantage est le fait que la température atteinte lors du procédé demeure inférieure à la température de fusion. La microstructure est ainsi moins modifi ée et la zone aff ectée thermiquement s’en trouve réduite. Bien qu’il soit possible d’eff ectuer la soudure et d’ensuite analyser son effi cacité, l’élaboration d’un modèle permettant de prédire la qualité de la soudure selon les paramètres de soudage s’avérerait un atout important pour l’optimisation du procédé. Afi n d’élaborer un modèle numérique précis, diff érentes données doivent être recueillies lors du soudage. C’est pourquoi l’instrumentation du procédé est importante.

Dans ce projet, un banc de soudage instrumenté pour une fraiseuse conventionnelle a été développé. Ce banc d’essai est doté d’une table de soudage permettant d’accueillir des plaques de diff érentes dimensions et de les instrumenter. C’est ainsi qu’il est possible de recueillir des distributions de température lors du soudage. De plus, le porte outil de la fraiseuse a été instrumenté à l’aide d’un contact tournant et de jauges de déformations pour mesurer la force de compression et le couple de torsion lors des essais. Diff érents traceurs ont aussi été testés pour suivre le déplacement de la matière.

Keven Lavoie, Lyne St-Georges,

László Kiss, Frédéric Thibeault,



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Machining burrs are created wherever there is an edge on a mechanical part. The burrs can injure workers during handling and can be a source of debris (bits of burrs) during operation, thus reducing the lifetime and resistance of machined parts and reducing tool life as well as productivity. Therefore, focus is diverted towards limiting burr formation rather than deburring in a subsequent fi nishing operation. In fact, deburring operations are expensive, time-consuming, and considered to be non-productive operations.

This study defi nes and studies the burrs’ edge occupancy as a function of the six most important observed burrs on various edges of machined parts in typical dry slot milling operations performed on Al 2024-T351 and Al 7075-T6. The ultimate goal was to investigate ways to generate edges with minimum burrs based on machining conditions. The main infl uencing machining factors on the burrs’ edge occupancy were investigated, and the best ways to generate edges with minimum burrs occupancy were also discussed.

Les bavures d’usinage sont crées partout où il y a une arête sur une pièce mécanique. Les bavures peuvent blesser les opérateurs lors de la manutention et peuvent être la source de débris pendant l’opération, réduisant ainsi la vie en service, la résistance et même la vie des outils et la productivité. C’est pour cela que la limitation de la formation des bavures, au lieu de l’ébavurage dans une opération subséquente, est devenue d’un grand intérêt. En fait, l’enlèvement de bavure est dispendieux, requiert beaucoup de temps et est surtout considéré comme une opération non-productive.

Cette étude vise à défi nir et à étudier la proportion des arêtes occupées par des bavures en fonction des six types de bavures observables sur les arêtes des pièces en alliage d’aluminium Al 2024-T351 et Al 7075-T6 usinées par rainurage. Le but ultime est de déterminer les moyens, les stratégies et les conditions pour générer des arêtes ayant moins de bavures. Les paramètres d’usinage les plus infl uents sur l’occupation des bavures sur les arêtes sont étudiés et les conditions pour générer les arêtes avec moins de bavures sont déterminées.

Seyed Ali Niknam, Azziz Tiabi,Abdelhakim Djebara,Victor Songmene,École de technologie supérieure


Machining processes often produce burrs on parts that need to be removed, manually or semi-manually in a subsequent fi nishing operation.

There is an important machining cost proportion associated with burr minimization, deburring, and part cleaning. Researchers have reported that these costs reach an estimated 500 million euros per year in Germany alone. Burrs may injure workers during handling and assembly of parts. Also, burrs can become loose and cause damage later on in assemblies or machines.

Many industrial and scientifi c investigations have been focusing on control and removal of burrs in the last 50 years. Most agree that burr measurement is tedious and time-consuming.

This research aims to apply acoustic emission AE signals to estimate the height of entrance side burrs in typical slot milling operations performed on aluminium alloy Al 7075-T6 using various cutting conditions. Linear models were developed between the burrs height AE Root mean square, depth of cut and feed rate values.

Les procédés de mise en forme par usinage produisent souvent des bavures qui doivent être enlevées manuellement ou semi-manuellement lors d’une opération subséquente de fi nition.

Une grande proportion des coûts d’usinage est associée à la minimisation de bavure, à l’ébavurage et au nettoyage des pièces. Des chercheurs ont indiqué que ces coûts avoisinent les 500 million d’euros par année en Allemagne seulement. Les bavures peuvent blesser les travailleurs lors de la manutention et l’assemblage des pièces. Elles peuvent aussi se détacher et causer des dommages plus tard dans des assemblages ou dans des machines.

Plusieurs recherches scientifi ques et industrielles se sont intéressées au contrôle et à l’enlèvement de bavures durant les dernières cinquante années. Beaucoup d’entre elles sont d’accord sur le fait que la mesure des bavures est délicate et requiert beaucoup de temps.

Ce travail de recherche vise à appliquer les émissions acoustiques (AE) pour estimer la hauteur des bavures se produisant sur des pièces en aluminium Al 7075-T6 fraisées par rainurage en utilisant diverses conditions de coupe. Des modèles de régression linéaire sont développés entre la taille de la bavure, la moyenne du signal acoustique(AERMS) et les conditions de coupe (avance et profondeur).

Seyed Ali Niknam, Rene Kamguem,

Azziz Tiabi,Victor Songmene,

École de technologie supérieure

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This document presents the characterization of a steel insert in cast aluminum. Relatively simple and inexpensive, this technique allows for improvements to the local mechanical properties of the casting, in proportions perfectly suited for the job. The study aims to demonstrate the metallurgical eff ects on both materials, and some assumptions are made to improve the technique according to the results pertaining to the parts in question.

The parts came from Lycée Hector Guimard, in Lyon, France. Lycée Guimard is a educational institution that specializes in casting; they asked for the expertise of the CEGEP de Trois-Rivières when they wanted to characterize the metallurgical bond that forms between the steel insert and the cast aluminum. Metallographic observations, mechanical tests, computer simulations of the solidifi cation as well as additional experimental castings were carried out for this project.

The results obtained allow us to identify the factors aff ecting the quality of adhesion between the materials in order to optimize their metallurgical relationship. The results of mechanical testing and computer simulations allow us to propose the optimal conditions for this type of insertion casting, and a mathematical model was developed correlating the adhesion force between the materials and the initial conditions of the casting.

Ce document présente la synthèse d’un travail eff ectué sur la caractérisation de l’insertion d’une tige d’acier dans un aluminium de fonderie. Procédé relativement simple et peu dispendieux, cette technique permet l’amélioration locale des propriétés mécaniques de la pièce coulée dans des proportions parfaitement adaptées au travail à réaliser. L’étude veut démontrer les eff ets de l’insertion sur l’aluminium coulé ainsi que sur l’insert d’acier et certaines hypothèses seront avancées quant à l’amélioration du procédé en fonction des résultats recueillis sur les pièces étudiées.

Les pièces nous proviennent du Lycée Hector Guimard de Lyon, en France. Le Lycée Guimard a fait appel à l’expertise du CEGEP de Trois-Rivières quand est venu le temps de caractériser de façon métallurgique le lien unissant l’insert d’acier surmoulé par l’aluminium coulé. Des observations métallographiques, des essais mécaniques, des simulations de solidifi cation informatiques ainsi que des coulées expérimentales supplémentaires ont été réalisés dans le cadre de ce projet.

Les résultats recueillis nous ont permis d’identifi er les facteurs aff ectant la qualité de l’adhérence entre les matériaux dans le but d’optimiser le lien existant entre l’acier et l’aluminium. La mise en commun des essais mécaniques et des simulations informatiques nous propose des conditions de coulées optimales pour ce type d’insertion et un modèle mathématique a été développé mettant en relation la force d’adhérence reliant les matériaux en fonction des conditions initiales de la coulée.

Jonathan P. Grenier,IBM Canada Ltée Usine de Bromont, laboratoire d’analyse des matériaux

Franco Chiesa,Directeur scientifi que, Centre de Métallurgie du Québec

Jean-François Corriveau,Professeur, département de métallurgie, CEGEP de Trois-Rivières

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The high heating rate of a fl uidized sand bed used in thermal treatments is known to produce premium strength and optimum quality in Al-Si-Mg and Al-Si-Cu-Mg castings. The alloys A356.2 and B319.2 investigated in this study were subjected to solution treatment and conventional T6 aging for periods ranging from 0.5 to 24 hrs using a fl uidized sand bed furnace (FB), as opposed to a conventional convection furnace (CF). The results reveal that the tensile strength of these alloys is more responsive to an FB heat treatment than to a CF treatment for solution treatment times of up to 8 hrs. A signifi cant increase in strength is observed in the FB heat-treated samples after short aging times of 0.5 hr and 1 hr, the trend continuing up to 5 hrs. An analysis of the tensile properties in terms of quality index charts showed that both the Sr-modifi ed and non-modifi ed 319 and 356 alloys display the same quality, or better, after only 2 hrs treatment in a fl uidized bed, compared to 10 hrs using a CF treatment. The 319 alloys show signs of over-aging after 8 hrs of aging using a CF, whereas with an FB, over-aging occurs only after 12 hrs.

Le grand taux de chauff age que procure le sable utilisé pour les traitements thermiques sur lit fl uidisé est connu pour produire une grande résistance et une qualité optimale pour les alliages de fonderie Al-Si-Mg et Al-Si-Cu-Mg. Les alliages A356.2 et B319.2 employés dans cette étude ont été soumis à une mise en solution et à un vieillissement conventionnel T6 pour une période de 0,5 à 24 h utilisant un four à lit fl uidisé (FB) et un four conventionnel à convection (CF). Les résultats ont révélé que la résistance à la traction de ces alliages est plus sensible à un traitement thermique FB qu’à un traitement FC pour des mises en solution allant jusqu’à 8h. Une augmentation signifi cative de la résistance est observée pour les échantillons FB traités thermiquement après un court temps de vieillissement de 0,5 et 1h, la tendance continue jusqu’à 5h. L’analyse des propriétés de traction en terme de l’indice de qualité a montré que les alliages 319 et 356 modifi és au Sr et non-modifi és affi chent la même qualité, ou meilleure, après seulement 2 heures de traitement sur lit fl uidisé par rapport à 10 heures en utilisant un traitement CF. L’alliage 319 montre des signes de survieillissement après 8h de vieillissement CF, alors qu’avec un FB, le survieillissement se produit uniquement après 12h.

Khaled A. Ragab, Agnès-Marie Samuel,

Fawzy-Hosny Samuel,Université du Québec

à Chicoutimi

A.M.A. Al-Ahmari,Center of Excellence for

Research in Engineering Materials, King Saud University,

Riyadh, Saudi Arabia

Herbert W. Doty,GM Powertrain Group, Metal Casting Technology, Milford

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PRIX

AWARD


According to recent research, some buses have exceeded the loading standard per axel, which can cause road damage. For this project, aluminium, which is both lightweight and strong, is used in the design of a bus frame to resolve this problem. The choice is focused on the frame because is the most stressing part and represents 30% of the total weight of the bus. Also, the life span of the frame is higher than any other bus part. The new design will be conceived to maintain the rigidity equivalent to a steel frame. To realize this study, an analytic model will be developed in order to analyze the vibrational and dynamic parts of the frame. For the vibrational model, the frame is simplifi ed to a single thin-walled beam where the weight, volume and inertia are very close to original bus frame. In the dynamic part of this project, the forces acting on the support points of the frame will be calculated. The preliminary results of vibrational modes obtained by the Abacus simulation software show a large similarity between the steel frame frequencies and those of an aluminium frame. However, designing a lightweight and resistant frame will certainly increase the dynamic performance of the bus in general and particularly on the forces and stresses applied to the various components of the bus.

Selon des recherches récentes, certains autocars dépassent les normes de chargement par essieux se qui cause l’endommagement des routes. L’aluminium qui est à la fois léger et résistant sera utilisé dans la conception du châssis de l’autocar pour remédier à ce problème. Le choix c’est porté sur le châssis puisqu’il représente 30% du poids global de l’autocar et qu’il est le plus sollicité. Sa durée de vie est plus importante que tous les autres éléments. Il sera conçu tout en gardant la rigidité d’un châssis en acier. Pour réaliser cette étude, un modèle analytique sera développé afi n d’analyser la partie vibratoire et dynamique. Pour le modèle vibratoire, le châssis a été simplifi é en une poutre simple à parois minces dont le poids, le volume et l’inertie sont très proches de ceux du châssis de référence. Dans la partie dynamique de ce projet, les forces agissant sur les points d’appuis du châssis de l’autocar seront calculées. Les résultats préliminaires des modes vibratoires obtenus par le logiciel de simulation Abaqus démontrent une très grande similarité entre les fréquences d’un châssis en acier et celui fait d’aluminium. Cependant, la conception d’un châssis léger et résistant augmentera certainement les performances dynamiques d’un autocar en général et en particulier sur les forces et les contraintes appliquées sur les diff érents éléments composant l’autocar.

Fatma Rebaine,Mohamed Bouazara, Université du Québecà Chicoutimi

Marc J.Richard,Université Laval

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Reducing the weight of diff erent types of vehicles could have an impact on energy use and, consequently, on the volume of gas emissions in the transport domain. In order to further reduce weight, a study is necessary to examine the road excitation eff ect on aluminium suspension parts. In the real case, solicitations are random and complex and require advanced stochastic modeling processes based on Power Spectral Density (PSD). There are several norms for characterizing the road profi le, such as ISO 8608, IRI (International Roughness Index), and SEI (Spektral of Ebenheits).

In this study, the velocities and accelerations of points in the suspension mobile part can be determined using vector methods. These results allow us to develop equations of motion using Newton’s Second Law. These equations will help us calculate the forces acting upon the lower and upper suspension triangles. The results of this study will be very useful in calculating the excitation response of diff erent road types and the system’s natural frequencies.

La réduction du poids des diff érents types de véhicules pourrait avoir un impact sur l’utilisation de l’énergie et, conséquemment, sur le volume des émissions de gaz par le domaine du transport. Dans le but de réduire de plus en plus le poids, l’étude en profondeur de l’eff et des sollicitations de la route sur les pièces de suspension en aluminium est nécessaire. Dans le cas réel, les sollicitations sont aléatoires et complexes et elles nécessitent des modélisations avancées basées sur la densité spectrale de puissance (PSD). Il y a plusieurs normes pour caractériser le profi l de la route, on note : ISO 8608, IRI (Indice de Rugosité International) et le SEI (Spektraler d’Ebenheits).

Dans cette étude, les vitesses et les accélérations des points situant dans la partie mobile de la suspension sont déterminées en utilisant des méthodes vectorielles. Ceci nous permettra de développer les équations du mouvement à partir de la seconde loi de Newton. Ces équations nous aiderons dans le calcul des forces qui agissent sur les triangles inferieur et supérieur de la suspension. Les résultats de cette étude sont très utiles pour le calcul de la réponse d’excitation des diff érents types de route ainsi que le calcul des fréquences naturelles du système.

Mostepha Saihi, Mohamed Bouazara,Université du Québec

à Chicoutimi

Marc J. Richard,Université Laval

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The friction stir welding process (FSW) consists of joining two plates of metal using a rotating tool with a central pin and a shoulder. The friction between the shoulder and the material produces a heat fl ux, and the pin causes localized plastic deformations. Thereby, the metal around the pin is mixed, and the plates are joined in a solid state. The temperature inside the material reaches only 80% to 90% of the melting point. In comparison with conventional techniques, the lower temperature during this process results in better mechanical properties. This process is also very useful when welding high-resistance aluminium alloys of the 2XXX and 7XXX series, which are considered to be diffi cult to weld.

Several parameters infl uence the quality of the welds. To optimize them, a study on the thermomechanical behaviour of the material and the physical phenomena of the processes is required. The project consists of developing a numerical model based on the meshfree method called Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) to understand the fundamental physics governing the welding process. This method, where the coordinates follow the movements/deformations of the material, is ideal for simulating large derformations by saving the previous range of temperatures and deformations. In parallel with the numerical calculations, experiments will be performed to obtain the data needed to validate the numerical model.

Le soudage par friction malaxage « Friction stir welding (FSW) » consiste à joindre deux plaques de métal à l’aide d’un outil rotatif doté d’une tige centrale et d’un épaulement. Le frottement entre l’épaulement de l’outil et le matériau produit de la chaleur alors que la tige pénétrante déforme le matériau plastiquement. Du même coup, la matière se mélange et crée un joint de soudure en atteignant seulement entre 80 et 90% de la température de fusion du matériau soudé. Comparativement aux techniques conventionnelles, cette diminution de température se traduit par l’obtention de meilleures propriétés mécaniques. Ce procédé est donc très avantageux pour souder les alliages d’aluminium à haute résistance (2XXX et 7XXX) qui sont reconnus pour être diffi cilement soudables.

Plusieurs paramètres infl uencent la qualité des soudures. Pour les optimiser, il requiert de comprendre les mécanismes physiques du procédé. Ce projet consiste à réaliser un modèle numérique basé sur la méthode sans maillage « Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) » pour étudier les principes fondamentaux du soudage. Cette méthode de modélisation où les coordonnées suivent le déplacement du matériau est idéale pour simuler les grandes déformations en conservant un historique complet des températures et des déformations. Des essais expérimentaux sur un banc d’essai instrumenté seront eff ectués en parallèle afi n d’obtenir des données nécessaires à la validation du modèle numérique développé.

Frédéric Thibeault, Lyne St-Georges, Làszlò Kiss,Kevin Lavoie,Centre universitaire de recherche sur l’aluminium (CURAL), Université du Québec à Chicoutimi

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PRIX

AWARD


The goal of this project consists of fi nding performance indicators that will be used to improve the control of the start-up process of a Hall-Heroult aluminium tank to maximize its average life span. Supported by FQRNT, NSERC and Rio Tinto Alcan, this project is continuing to realize the work previously accomplished for another master project concerning a numerical model of tank reheating. This numerical model of a P-155 tank will now reproduce the whole start-up, through the appropriate modeling of geometry, materials and processes. The establishment of a strong correlation between the simulation results and the in situ data is essential in attaining the goals for this project.

Le projet vise à déterminer des indicateurs de performance permettant de mieux contrôler le démarrage des cuves Hall-Héroult de manière à en maximiser la durée de vie moyenne. Financé conjointement par le FQRNT, le CRSNG et Rio Tinto Alcan, ce projet constitue la suite d’une maîtrise réalisée antérieurement portant sur la modélisation du préchauff age d’une cuve. Ce modèle, représentant un quart d’une cuve P-155, devra reproduire la géométrie, les matériaux et les procédés d’opération pour l’ensemble des étapes du démarrage d’une cuve. L’établissement d’une forte corrélation entre les résultats d’une simulation et les données in situ s’avère essentiel pour atteindre l’objectif du projet

Alexandre Brodeur, Daniel Marceau,


Martin Désilets,Université de Sherbrooke

Lyès Hacini,Jean-François Bilodeau,

Rio Tinto Alcan - ARDC

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PRIX

AWARD


Al-Li 2199 sheets were friction stir welded (FSW) by varying the table force, tool rotation speed and weld travel speed. A post weld heat treatment (PWHT) was applied on all welds in an attempt to improve the mechanical properties. An increase in tensile strength from 220MPa to 285MPa and an increase in the hardness of the weld nugget zone from 95HV to 125HV were recorded for the high table force and rotation speed welds. The precipitate dissolution/re-precipitation was studied using diff erential scanning calorimety (DSC). Electron backscattered diff raction was used for grain size analysis. The variation in grain size across welds indicates the temperature and strain rate during welding. It is proposed that the high temperature and high strain which are characteristic of high tool rotation speed and high table force allow for the dissolution of precipitates during FSW and therefore are optimal for re-precipitation during PWHT.

Des tôles minces de Al-Li 2199 ont été soudées par friction-malaxage (FSW) avec diff érentes vitesses de rotation, de force verticale et de vitesse d’avance. L’application d’un traitement de revenu après soudage (PWHT) a été utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques. Une augmentation de la résistance en traction de 220MPa à 285MPa et une augmentation de la dureté dans la zone de soudure de 95HV à 125HV ont été enregistrées pour les soudures utilisant une force verticale et une vitesse de rotation élevées. La dissolution / re-précipitation des précipités a été étudiée à l’aide d’un calorimètre diff érentiel à balayage (DSC). La taille des grains a été analysée à l’aide d’images prises au microscope électronique à balayage en mode électrons rétrodiff uses. La variation de la taille des grains est une indication de la plage de température et de déformation appliquée pendant le soudage. Il est proposé que la température élevée et la déformation intense, qui sont communes aux conditions de soudage avec une vitesse de rotation élevée et une force verticale élevée, permettent la dissolution des précipités pendant le FSW et sont donc optimales pour le PWHT.

Rosen Ivanov,Raynald Gauvin,Mathieu Brochu,Materials Engineering, McGill University

Julien Boselli,Diana Denzer,ALCOA Inc., Alcoa Technical Centre, PA, USA

Daniel Larouche,Mining, Metallurgy and Materials Engineering, Laval University

La mise en oeuvre de l’ensemble des projets présentés dans cette encyclopédie nécessite des investissements majeurs, et ce, tant au niveau des milieux universitaires et gouvernementaux que de la part des secteurs industriels concernés. La réalisation de ce document est incontestablement le fruit d’une concertation extraordinaire entre ces trois forces complémentaires, soucieuses de développer de nouvelles technologies de production, de transformation et d’utilisation de l’aluminium au Québec. C’est en parcourant cet ouvrage que vous réaliserez le dynamisme et l’ingéniosité de ces étudiants et professeurs, chercheurs passionnés, visant non seulement l’excellence mais le développement d’un pôle québécois de recherche sur l’aluminium reconnu au niveau international.

Le Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL tient à remercier les participants de la 7e Journée des étudiants du REGAL qui, en acceptant la reproduction de leurs affiches, ont permis la création de ce septième recueil.

The realization of the projects presented in this synopsis required major funding from key players working in the aluminium industry, including universities, governments and various industrial sectors. The production of this document is undoubtedly the fruit of extraordinary collaboration between these three complementary forces, striving to develop new aluminium production, transformation, and utilization technologies in Quebec. When reading through this work, you will realise how dynamic and ingenious these passionate students, professors, and researchers are. They not only aim to excel, they wish to develop an internationally-recognised aluminium research hub in Quebec.

Aluminium Research Centre - REGAL would like to thank the participants of the 7th REGAL Students’ Day (JER’2010) who, by accepting to have their posters reproduced, made the creation of this seventh synopsis possible.

Les partenaires financiers - Financial Partners

Université Laval Université McGill Université du Québec à ChicoutimiAlexandre Bois-Brochu Hany Ammar Amir Rezaei Farkoosh Majid Hoseini Agnès-Marie Samuel Lyne St-GeorgesAudrey Poulin Hicham Chaouki Bamidele Akinrinlola Mathieu Brochu Alexandre Brodeur Mathieu BrissonAugustin Gakwaya Houshang D. Alamdari David W. Heard Mihriban Pekguleryuz Amine Bouaїcha Mehand TebibBehzad Majidi Julie Lévesque Eric Thibodeau Rosen Ivanov André Charette Mohamed BouazaraBenoit Allen Jérémi Ouellet Frank Mucciardi Ramona R. Vintila Ayesha Khatun Mohamed F. IbrahimCarl Blais Jean Ruel In-Ho Jung Raynald Gauvin Daniel Marceau Mostepha Saihi Carl Duchesne Julien Lauzon-Gauthier Jason Milligan Zhongsen Yuan Duygu Kocaefe Myriam Auclair-GilbertCassandre Nowicki Kamran Azari Lydia Aguirre Perales Ebrahim Jeddi Nicolas Tremblay Danick Lapointe Louis Gosselin Ehab A. Elsharkawi Pierre-Luc GirardDaniel Larouche Marc J.Richard École Polytechnique de Montréal Emmanuel de Varennes Rémi St-PierreDave Demers Marie-Hélène Martin Frank Ajersch Patrice Chartrand Fatma Rebaine René HoudeDave Martin Mario Fafard Fawsy-Hosny Samuel Sándor PoncsákDominique Dubé Michel Guillot Université de Sherbrooke Frédéric Thibeault Stéphane Tremblay Donald Picard Olivier Trempe Martin Désilets Marcel Lacroix GaoFeng Li Véronique Dassylva-RaymondEdward Ghali Patrice Goulet Marc-André Marois Jean Denis Brassard X. Grant ChenFranck Armel Tchitembo Goma Pierre-Olivier St-Arnaud Jens Bouchard Yadian XieFrançois Chevarin Quang-Hien Bui Cégep de Trois-Rivières Jing Lai Yasar KocaefeFrançois Gilbert Reza Bihamta Franco Chiesa Junfeng Guo Yasser ZedanFrançois Grégoire Sakineh Orangi Jean-François Corriveau Keven Lavoie Ying HuangGuillaume Filion Stéphane Thibodeau Khaled A. Ragab YuMei HanGuillaume Gauvin Xavier Élie-Dit-Cosaque École de technologie supérieure Kun Liu Zhan Zhang

Abdelhakim Djebara Riad Khettabi László KissAzziz Tiabi Seyed Ali NiknamRene Kamguem Victor Songmene

Laboratoire international des matériaux School of Materials and Architectural Engineering, Conseil national de recherches Canada (CTA-CNRC)anti-givre (LIMA) Guizhou Normal University (GNU), China Chang-Qing Zheng Guy Fortin Jean Perron Wei Liu

Institut de Recherche d’Hydro-Québec (IREQ)Guizhou Section, Aluminium Corporation Laboratoire de recherche des fabrications (LRF) Hugues Fortin Nedeltcho Kandevof China Limited (CHALCO), China Rio Tinto AlcanShaoling Zou Anjing Wu Yves Caratini STAS, Groupe R&D Alcoa-STAS

Jayson TessierAlcoa Canada Aluminerie Deschambault Centre des technologies de l’aluminium - CNRCGilles Dufour Donald Ziegler Ahmed Rahem Bernard Arsenault Rio Tinto Alcan

Guillaume D’Amours Danick Gallant Centre de Recherche et de développement Arvida (CRDA)Alcoa Technical Center Alcoa Primary Metals Patrick Gougeon Alexandre Perron Denis LarocheJ. C. Lin E.A. SimielliJulien Boselli GM Powertrain Group, Metal Casting Technology, Inc Rio Tinto Alcan Université ConcordiaDiana Denzer Herbert W. Doty Jean-François Bilodeau Robin A. Drew

Lyès HaciniAtelier d’Usinage Megatech A Q Inc. IBM Canada Ltée, Usine de Bromont S. TremblayJean Blanchet Steve Fontaine Laboratoire d’analyse des métaux

Jonathan P. Grenier Center of Excellence for Research in Engineering MaterialsCentre de Réalisation d’Outils Innovateurs (C.R.O.I.) King Saud University, Riyadh, Saudi, ArabiaJean-François Tremblay A.M.A. Al-Ahmari

Aerospace Manufacturing Technology Center, Le Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL tient également à remercier l’ensemble de ses collaborateurs qui, de prèsou de loin, ont contribué à la réalisation de cet ouvrage.Aluminium Research Centre - REGAL would also like to thank every one of their collaborators who, near or far, contributed to theproduction of this work.

CNRC Institute for Aerospace ResearchXinjin Cao

Department of Mechanical Engineering, University Membres du bureau de direction du REGAL / Members of REGAL Steering Committeeof Ottawa Mario Fafard, directeur REGAL, Université Laval Raynald Gauvin, directeur adjoint REGAL, Université McGill

Florence Paray, Université McGillVictor Songmene, École de technologie supérieureYves Verreman, École Polytechnique de Montréal

Alex Charest Franco Chiesa, Cégep de Trois-RivièresMartin Désilets, Université de SherbrookeDaniel Larouche, Université LavalDaniel Marceau, Université du Québec à Chicoutimi

82 REMERCIEMENTSACKNOWLEDGEMENTS

TITRETITRE

TiTre en FranÇais

TiTre en anglais


le noml’école

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