Défi Québec Aluminium-Scandium

(See below for the English version of the Technical Background)

Description technique
 

Le scandium est l'élément d’alliage reconnu comme le plus efficace à augmenter les propriétés mécaniques de l'aluminium. Une faible addition de Sc peut augmenter de manière significative la limite d'élasticité des alliages d’aluminium. Comme le montre la Figure 1, une augmentation moyenne de la limite d'élasticité d'environ 50 MPa est attendue par addition de 0,1 % de Sc et ceci sans impact sur l’allongement.

Figure 1 : Augmentation de la limite d'élasticité dans les alliages Al-Sc en fonction de la teneur en Sc. Source :  T. Dorin et al., dans R.N. Lumley (éd.), Fundamentals of Aluminium Metallurgy, Duxford, Royaume-Uni : Elsevier Ltd., 2018, p. 443.

La résistance accrue des alliages Al-Sc est produite par les mécanismes suivants : (a) Lors de la solidification des alliages hypereutectiques (>0,5 % Sc), les particules de Al₃Sc agissent comme précipités provoquant l'affinement de la microstructure. (b) À la suite d’un traitement thermique entre 250 à 400 °C, un durcissement par précipitation des particules nanométriques de Al₃Sc (2 à 6 nm) se produit. Et (c), lors d'opération à haute température (400-600 °C), tel que le laminage ou l'extrusion à chaud, une distribution de précipités de Al₃Sc (20-100 nm) se forme, ce qui produit une excellente résistance à la recristallisation.

L’amélioration des propriétés mécaniques dépend principalement de la composition de l'alliage. Les améliorations les plus élevées sont observées dans les alliages d'aluminium non traitables thermiquement tels que les alliages de la série 1xxx (essentiellement de l’aluminium pur), 3xxx (Al-Mn) et 5xxx (Al-Mg), comme le montre la Figure 2. Les gains pour les alliages d'aluminium traitables thermiquement tels que 2xxx (Al-Cu), 6xxx (Al-Si-Mg) et 7xxxx (Al-Zn) sont moins importants due au traitement par précipitation similaire à la précipitation du Sc déjà utilisé dans ces alliages. En général, l'augmentation la plus élevée par % Sc ajouté est obtenu lors d’addition inférieure à 0,2 % Sc, et encore plus lors d’addition inférieure à 0,1 % Sc. L'impact de ce microdosage du Sc est particulièrement important pour les alliages 1xxx et 5xxx et semble être la méthode la plus efficace pour maximiser la valeur d'utilisation du Sc dans les alliages d'aluminium.

Figure 2 : Augmentation de la limite d'élasticité en fonction de la teneur en Sc pour différentes séries d'alliages Al. Source : T. Dorin et al., dans R.N. Lumley (éd.), Fundamentals of Aluminium Metallurgy, Duxford, Royaume-Uni : Elsevier Ltd., 2018, p. 443.

Pour empêcher la recristallisation, le scandium est plus efficace que le Zr, le Mn et le Cr, qui sont utilisés dans ce but. En fonction de son contenu, le Sc peut en effet empêcher la recristallisation à des températures aussi élevées que 600 °C (Figure 3). De plus, il est important de mentionner que jusqu'à 50 % du Sc peut être remplacé par du Zr, ce qui rend l'ajout combiné de Sc-Zr à de l’aluminium plus économique et offre des propriétés d'inhibition de recristallisation supérieurs à des températures comprises entre 300 et 400 °C (Figure 4).

Figure 3 : Effet des éléments d'alliage sur la température de recristallisation (50 % de recristallisation) dans des tôles d'Al laminées à froid. Source : V.V. Zakharov, Met. Sci. Heat Treat. 45 (2003), 246-253.

Figure 4 : Microdureté de l'alliage Al-0,4 % Sc et de l'alliage Al-0,4 %Sc-0,15 %Zr recuit à 350 °C. Source :  V.G. Davydov et al., Mater. Sci. Ing. A 280 (2000), p. 30-36.

La zone de température nécessaire au durcissement par précipitation de Al₃Sc se situe entre 250 et 350 °C, c'est-à-dire supérieure aux températures typiques de durcissement par précipitation des alliages traitable thermiquement (90-230 °C pour les alliages 2xxx, 6xxx, 7xxx et Al-Li) et inférieure aux températures de mise en solution de ces mêmes alliages (410–560 °C). Cette contrainte rend difficile la conception de procédés thermomécaniques permettant la mise en solution du Sc à haute température dans les alliages complexes. Idéalement, le Sc doit rester en solution pendant le processus de coulée afin qu'aucun traitement thermique de mise en solution ne soit nécessaire. Ensuite, le formage peut être effectué dans une condition pour laquelle le Sc a un effet négligeable, suivi d'un traitement thermique de précipitation. A noter que lors de la solidification, la vitesse de refroidissement est critique pour assurer la sursaturation lors de la solidification ; plus la teneur en Sc est élevée, plus la vitesse de refroidissement doit l’être et ce principalement dans la plage de durcissement par précipitation soit de 500 à 250 °C (Figure 5).

 Figure 5 : Courbes de refroidissement continu équivalent à 5 % de transformation des alliages Al-Sc. Source : V.V. Zakharov, Met. Sci. Heat Treat., 39 (1997), 61-66.

Un autre aspect important à considérer est que le Sc réagit avec le Cu et le Si pour former des phases ternaires ce qui diminuent le Sc disponible pour former les précipités d'Al₃Sc désirés. D'autre part, le Sc n'interagit pas avec le Mn, le Zn, le Mg et le Li, ce qui explique pourquoi l'impact du Sc est plus important pour les alliages d'aluminium 1xxx (Al), 3xxx (Al-Mn) et 5xxx (Al-Mg).

Enfin, l'ajout de Sc aux alliages d'aluminium rend ces derniers plus nobles, c'est-à-dire plus résistants à la corrosion. Par exemple, le Sc est connu pour améliorer les performances des alliages d'aluminium à haute résistance mécanique qui possèdent généralement une faible résistance à la corrosion (par exemple, 2xxx) ou qui sont sensibles à la fissuration par corrosion sous contrainte (par exemple, 7xxx). Cependant, cette amélioration de la résistance à la corrosion dépend de la teneur en Sc et de l'historique de traitement thermomécanique subit par l'alliage (J. Royset et al., Int. Mater. Rev., 50 (2005), 19-44).

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Technical Background

Scandium is probably the most effective known microalloying element strengthener of aluminium. A small addition of Sc may increase significantly the yield strength of Al alloys. As shown in Figure 1, on average about 50 MPa yield strength increment is expected per 0.1% Sc addition, with no impact on elongation.

Figure 1: Yield strength increment in Al-Sc alloys as a function of Sc content. From T. Dorin, et al., in R.N. Lumley (ed.), Fundamentals of Aluminium Metallurgy, Duxford, UK: Elsevier Ltd., 2018, p. 443.

The increased strength of Al-Sc alloys is due to a few mechanisms: (a) During solidification of hypereutectic alloys (> 0.5% Sc), Al₃Sc particles act as grain nuclei causing microstructure grain refinement. (b) Heat treatment in the range 250–400°C leads to precipitation hardening of nanoscale Al₃Sc particles (2–6 nm). And (c), high-temperature processing (400–600°C), such as hot rolling or hot extrusion, gives a dense distribution of Al₃Sc particles (20–100 nm), which lead to excellent recrystallization resistance.

The improvements in mechanical properties depend mainly on the alloy composition. The highest improvements are observed in non-heat-treatable Al alloys such as 1xxx (essentially pure Al), 3xxx (Al-Mn), and 5xxx (Al-Mg), as shown in Figure 2. Gains for the heat-treatable aluminium alloys such as 2xxx (Al-Cu), 6xxx (Al-Si-Mg) and 7xxxx (Al-Zn) are less significant mainly due to the precipitation hardening treatment already applied to these alloys. In general, the highest increase per % Sc added is obtained under 0.2% Sc, and even more under 0.1% Sc. The microdosing effect of Sc is especially obvious for 1xxx and 5xxx alloys and seems to be the most efficient method to maximize the benefit of Sc addition in aluminium alloys. 

Figure 2: Yield strength increment as a function of Sc content for various Al alloy series. From T. Dorin, et al., in R.N. Lumley (ed.), Fundamentals of Aluminium Metallurgy, Duxford, UK: Elsevier Ltd., 2018, p. 443.

In preventing recrystallization, scandium is more effective than Zr, Mn and Cr, which are used for the same purpose. Depending on its content, Sc can prevent recrystallization at temperatures as high as 600°C (Figure 3). Furthermore, up to 50% of Sc can be replaced by Zr making the combined Sc-Zr addition to Al more economical and offering higher recrystallization inhibition properties at temperatures between 300 and 400°C (Figure 4).

Figure 3: Effect of alloying elements on the recrystallization temperature (50% recrystallization) in cold-rolled Al sheets. From V.V. Zakharov, Met. Sci. Heat Treat. 45 (2003), 246–253.

Figure 4: Microhardness of Al–0.4% Sc alloy and Al–0.4%Sc–0.15%Zr alloy annealed at 350°C. From V.G. Davydov et al., Mater. Sci. Eng. A 280 (2000), 30–36.

The temperature region for precipitation hardening of Al₃Sc lies between 250 and 350°C, i.e., above the typical temperatures of precipitation hardening of common heat-treatable alloys (90–230°C for 2xxx, 6xxx, 7xxx and Al-Li alloys) and below the temperatures for solution heat treatment of the same alloys (410–560°C). This makes it difficult to design a thermomechanical process, and the dissolution of the Sc at high temperatures is rarely achieved in complex alloys. Ideally, the Sc should remain in solution during the casting process so that no solution heat treatment is required afterwards. Then, forming can be made at this condition where Sc has negligible effect, to be followed by precipitation heat treatment. Note that during solidification, the cooling rate is critical to ensure supersaturation upon solidification; the higher the Sc content, the higher the cooling rate must be, especially in the precipitation hardening range from 500 down to 250°C (Figure 5).

Figure 5: C-curves for 5% transformation of Al-Sc alloys. From V.V. Zakharov, Met. Sci. Heat Treat., 39 (1997), 61–66.

Another important aspect to consider is that Sc reacts with Cu and Si to form ternary phases which decrease the Sc available to form the desired Al₃Sc. On the other hand, Sc does not interact with Mn, Zn, Mg, and Li, which is another reason why the impact of Sc is greater for aluminium alloys 1xxx (Al), 3xxx (Al-Mn), and 5xxx (Al-Mg).

Finally, adding Sc to aluminium alloys makes the latter nobler, i.e., more resistant to corrosion. For example, Sc is known to improve the performance of high-strength Al alloys with poor general corrosion resistance (e.g., 2xxx) or susceptible to stress corrosion cracking (e.g., 7xxx). Nonetheless, the improvement in the corrosion resistance depends on the Sc content and thermomechanical processing history of the alloy (J. Royset et al., Int. Mater. Rev., 50 (2005), 19–44).