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Rio Tinto

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Défi Québec Aluminium-Scandium

Rio Tinto, en collaboration avec AluQuébec et le RTMQ, cherche de nouvelles applications pour les alliages aluminium-scandium.

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stage:
Annonce du gagnant de l'étape 2
prize:
CAD $175000

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Lignes directrices / Guidelines
Description technique / Technical Background
Summary

Overview

 

Les participants du défi doivent résider au Québec ou avoir un établissement au Québec.  /  Challenge participants must reside in Quebec or maintain a place of business in Quebec. 

(See below for the Overview in English)

 

Défi Québec Aluminium-Scandium

Rio Tinto, en collaboration avec AluQuébec et le Réseau de la transformation métallique du Québec (RTMQ), cherche à encourager les innovateurs Québécois dans le développement de nouvelles applications pour les alliages aluminium-scandium entraînant la consommation d'au moins 5 tonnes par année d'alliage-mère Al-2%Sc. Ce défi favorisera la transformation des alliages aluminium-scandium au Québec qui  pourrait devenir un pôle mondial de la production du scandium au cours des prochaines années.

 

Aperçu du défi

Rio Tinto fournit des métaux et des minéraux aidant le monde à se développer. Rio Tinto Iron and Titanium (RTIT), le groupe à l'origine de ce défi, fournit du concentré de minerai de titane et des scories comme matières premières aux producteurs de pigment de dioxyde de titane et de titane métallique. RTIT produit également de la fonte brute, de l'acier, des poudres de fer et des poudres d'acier de haute pureté, pour une variété d'utilisations.

RTIT a récemment développé un procédé propre qui permet de récupérer l'oxyde de scandium (Sc2O3) de sa fonderie de fer et de titane à Sorel-Tracy, QC et une usine de démonstration d'une capacité annuelle de 3 tonnes Sc2O3 est présentement en construction. De plus, Rio Tinto Aluminium a produit avec succès un alliage-mère Al-2%Sc à partir de cet oxyde de scandium RTIT. Cet alliage sera disponible pour un usage commercial sous forme de lingot ou de produit semi-fini tel que billette, tige ou plaque.

La demande mondiale réelle de Sc2O3 est estimée à environ 15 t/a, dont seule une petite fraction est utilisée pour produire des alliages aluminium-scandium. Cependant, il est maintenant bien connu que de petites additions de scandium à l'aluminium (0,05 à 0,5 %) peuvent entraîner des améliorations remarquables des propriétés de cet alliage telles qu'une résistance mécanique plus élevée à des températures allant jusqu'à 350 °C, une résistance à la corrosion accrue, une meilleure soudabilité, etc. Rio Tinto a le potentiel de produire des quantités plus importantes d’oxyde de scandium (Sc2O3) et d’alliage-mère Al-2%Sc, mais pour y parvenir, la valeur d'utilisation des alliages aluminium-scandium dans de nouvelles applications doit être démontrée afin de justifier l'augmentation de production. Dans ce défi, nous recherchons vos idées pour le développement d'une nouvelle application commerciale utilisant le Sc comme élément d'alliage pour l'aluminium.

Ce défi en deux étapes permettra aux innovateurs de financer les idées les plus convaincantes pour démontrer leur faisabilité et pourrait résulter en une commercialisation de leur invention. À l'étape 1 de notre défi, les participants fourniront une soumission non confidentielle décrivant l'approche proposée pour utiliser efficacement les alliages aluminium-scandium.

Jusqu'à trois (3) idées seront sélectionnées pour passer à l'étape 2, qui sera réalisée dans le cadre d'accords mutuels de non-divulgation. Chaque lauréat de l'étape 1 recevra 25 000 $ CAD pour soutenir son travail à l'étape 2, qui ciblera la réalisation d'une preuve de concept pour l'approche proposée via des tests utilisant l'alliage-mère Al-2%Sc de Rio Tinto. À la fin de l'étape 2, Rio Tinto sélectionnera et attribuera à un gagnant jusqu'à 100 000 $ CAD pour un développement complémentaire dans le cadre d'un accord de co-développement qui devra être négocié. Rio Tinto fournira également au gagnant un soutien technique et la possibilité de collaborer avec les scientifiques et les ingénieurs R&D de Rio Tinto. Si cette solution s'avère techniquement et commercialement réalisable, Rio Tinto pourra proposer un accord de suivi avec le gagnant pour la commercialisation et la mise à l'échelle.

 

Résoudre ce problème représente une opportunité importante pour les vainqueurs de ce défi et Rio Tinto. Nous attendons votre engagement et vos idées avec impatience!

 

Structure du défi

Étape 1 (Concepts)

L'étape 1 est ouverte aux personnes physiques résidant et travaillant au Québec, Canada ou aux groupes de personnes (entreprises, institutions, etc.) basées ou ayant une exploitation au Québec, Canada (voir règles d'admissibilité).

  • L'étape 1 sera lancée le mardi 17 août, 11h HE.
  • Les soumissions doivent être reçues au plus tard le vendredi 29 octobre 2021, 17 h HE.
  • Rio Tinto sélectionnera jusqu'à trois (3) soumissions pour passer à l'étape 2. Chaque soumission gagnante de l'étape 1 recevra 25 000 $ CAD pour les travaux de développement de l'étape 2 ainsi qu'un échantillon d'alliage-mère (jusqu'à 25 kg d'Al-2%Sc). L'annonce des gagnants de l'étape 1 sera faite d'ici au vendredi 12 novembre 2021, à 12 h HE.

Étape 2 (Faisabilité)

  • L'étape 2 commencera le lundi 29 novembre 2021, 11h HE , avec seulement les gagnants de l'étape 1 comme participants.
  • Les rapports techniques et les échantillons des produits finaux en alliage aluminium-scandium doivent être reçus au plus tard le vendredi 4 mars 2022, 17h HE.
  • Les concurrents de l'étape 2 présenteront leurs résultats à Rio Tinto d'ici au vendredi 11 mars 2022, 17 h HE.
  • Un gagnant sera sélectionné d'ici le vendredi 18 mars 2022, 17 h HE.

La soumission gagnante de l'étape 2 pourrait recevoir jusqu'à 100 000 $ CAD pour soutenir des travaux de développement supplémentaires nécessaire pour valider la faisabilité et la commercialisation potentielle de leur application.

 

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Aluminium-Scandium Quebec Challenge 

Rio Tinto, in collaboration with AluQuébec and the Réseau de la transformation métallique du Québec (RTMQ), seeks to encourage Quebec innovators in the development of new applications for aluminium-scandium alloys resulting in the consumption of at least 5 tonnes per year of Al-2%Sc master alloy. This challenge will promote the transformation of aluminium-scandium alloys in Quebec, which could become a global hub for scandium production in the years to come.

 

Challenge Overview

Rio Tinto supplies metals and minerals that assist the world’s development. Rio Tinto Iron and Titanium (RTIT), the group originating this challenge, provides titanium ore concentrate and slags as raw materials to producers of titanium dioxide pigment and titanium metal. RTIT also produces high purity pig iron, steel, iron powders and steel powders, for a variety of uses. 

RTIT has recently developed a green process to recover scandium oxide (Sc2O3) from its iron and titanium smelter in Sorel-Tracy, QC and is currently building a demonstration plant with an annual capacity of 3 tonnes Sc2O3. In conjunction with this breakthrough, Rio Tinto Aluminium has successfully produced Al-2%Sc master alloy from RTIT scandium oxide. This alloy will be available for commercial use in the form of ingot or semi-finished products such as billet, rod or slab.

The actual world demand for Sc2O3 is estimated at about 15 tonnes per year, of which only a small fraction is used to produce aluminium-scandium alloys. However, it is known that small additions of scandium to aluminium (0.05 to 0.5%) can result in remarkable improvements in the physical properties such as higher mechanical strength at temperatures up to 350°C, increased corrosion resistance, better weldability, etc. Rio Tinto has the potential to produce more substantial quantities of Sc2O3 and Al-2%Sc master alloy, but additional high-value applications must be developed to justify higher production levels. In this challenge, we seek your ideas for the development of new and successful commercial applications which use Sc as an alloying element for aluminium.

This two-stage challenge will provide innovators who propose the most compelling ideas funding to demonstrate the feasibility of their concepts and may ultimately result in commercialization. In Stage 1 of our Challenge, participants will provide a non-confidential submission that proposes an application for aluminum-scandium alloys that takes advantage of its unique characteristics to provide some measurable advantage over current approaches.

Up to three (3) ideas will be selected to advance to Stage 2, which will be conducted under mutual non-disclosure agreements. Each accepted Stage 1 winner will receive $25,000 CAD to support their work in Stage 2, which will be focused on demonstrating a proof-of-concept for the proposed approach via tests using Rio Tinto’s Al-2%Sc master alloy. At the end of Stage 2, Rio Tinto will select and award one winner with up to $100,000 CAD for additional development under a negotiated co-development agreement. Rio Tinto will also provide the winner with technical support and the opportunity to collaborate with Rio Tinto’s R&D scientists and engineers. Should this solution prove technically and commercially feasible, Rio Tinto may propose a follow-on agreement with the winner for commercialization and scale-up.

 

Solving this problem represents a significant opportunity for both Rio Tinto and the challenge winner. We look forward to your engagement and ideas!

 

Challenge Structure Overview

Stage 1 (Concepts)

Stage 1 is open to individuals living and working in Quebec, Canada or groups of individuals (companies, institutions, etc.) based or having an operation in Quebec, Canada (see eligibility rules). 

  • Stage 1 launch date is Tuesday, August 17, 2021, 11am ET.
  • Submissions must be received by Friday, October 29, 2021, 5pm ET.
  • Rio Tinto will select up to three (3) submissions to advance to Stage 2. Each Stage 1 winner submission receives $25,000 CAD for Stage 2 development work along with a sample of master alloy (up to 25 kg of Al-2%Sc). The announcement of Stage 1 winners will be made by Friday, November 12, 2021, 12pm ET.

Stage 2 (Feasibility)

  • Stage 2 begins Monday, November 29, 2021 , 11 am ET with only Stage 1 winners as participants.
  • Technical reports and samples of the final aluminium-scandium alloy products must be submitted to Rio Tinto for review by Friday, March 4, 2022 , 5 pm ET.
  • Stage 2 contenders will present virtually their results to Rio Tinto expert comity by Friday, March 11, 2022, 5pm ET.
  • One winner to be selected by Friday, March 18, 2022, 5pm ET.

 

The winner submission of Stage 2 could receive up to $100,000 CAD to support additional development work toward validating cost-effective feasibility and potential commercialization.


Guidelines

na

Timeline
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Challenge Updates

FÉLICITATIONS À FERREOL SKIS QUI REMPORTE LE DÉFI QUÉBEC ALUMINIUM-SCANDIUM // CONGRATULATION TO FERREOL SKIS TEAM WHICH WON THE HONOR OF THE AL-SC QUÉBEC CHALLENGE

May 27, 2022, 5:19 a.m. PDT by Guillem Vachon

Félicitations à l’équipe Ferreol Skis, composée de Étienne Boucher, Félix Lapointe, Jonathan Audet, Philippe Gosselin et Paul Gilbert, qui remporte les honneurs du Défi Québec Aluminium-Scandium avec leur projet « L’aluminium-Scandium pour révolutionner l’industrie du ski ».

Lancé en août 2021 par Rio Tinto en collaboration avec AluQuébec, la Grappe de l’aluminium du Québec, et le Réseau de transformation métallique du Québec (RTMQ), le Défi Québec Aluminium-Scandium avait pour objectif de proposer de nouvelles applications visant l’utilisation des alliages aluminium-scandium.

L’équipe Ferreol Skis a réussi un tour de force en surpassant les propriétés des matériaux les plus performant de l’industrie. L’équipe recevra donc une bourse pouvant aller jusqu’à 100 000 $ pour terminer le développement de leur projet avec ce nouvel alliage dans le cadre d'un accord de co-développement qui sera négocié.

Il est important de souligner les résultats forts intéressants des deux autres équipes finalistes. En effet, l’équipe de Grant-Emad-Quan de l’Université du Québec à Chicoutimi, composée de X. Grant Chen, Quan Shao et Emad Elgallad, a proposé un projet « d’Alliage d’Al-Sc-Zr pour conducteurs à haute résistance thermique ». Cette équipe est, en effet, parvenue à produire des fils électriques à haute résistance et conductivité de grades AT1 à AT4 par un microdosage habile du Sc. Pour sa part, l’équipe EV Technologies, menée par Vincent Darlix, a proposé quant à elle d’utiliser l’alliage aluminium-scandium dans la fabrication par fonderie de boîtiers pour batteries hautes performances. Les résultats obtenus pour les alliages de la série 5xx.x ont montré que l’ajout de faible quantité de Sc permettait d’augmenter significativement la résistance mécanique de cet alliage (jusqu’à 180%).

Rappelons que lors de la première étape du défi, 15 équipes de partout au Québec ont soumis des idées innovantes pour utiliser le Sc dans l’aluminium. À la suite de l’évaluation des différents concepts, trois équipes ont été retenues pour passer à la seconde étape, en janvier dernier, où elles devaient démontrer la faisabilité de leur concept. Chaque équipe disposait d’une bourse remise par Rio Tinto de 25 000 $ pour soutenir la réalisation de leur projet. Les trois équipes ont travaillé intensément pour réaliser en moins de quatre mois leur concept permettant de démontrer les avantages du scandium.

Rio Tinto, AluQuébec et le RTMQ remercient toutes les équipes ayant participé au Défi Québec Aluminium-Scandium. Leur implication et les idées innovantes proposées ont permis à ce défi de connaître un grand succès.

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(EN)

Congratulations to the Ferreol Skis team made up of Étienne Boucher, Félix Lapointe, Jonathan Audet, Philippe Gosselin, and Paul Gilbert, who won the honors of the Défi Québec Aluminium-Scandium with their project "Aluminium-Scandium to revolutionize the ski industry”.

Launched in August 2021 by Rio Tinto in collaboration with AluQuébec and the Réseau de la transformation métallique du Québec (RTMQ), the Défi Québec Aluminium-Scandium aimed to propose new applications for the use of aluminium-scandium alloys.

The Ferreol Skis team has achieved a feat by surpassing the properties of the most efficient materials in the industry. The team will therefore receive a grant of up to $100,000 to complete the development of their project with this new alloy as part of a co-development agreement to be negotiated.

It is important to highlight the very interesting results of the two other finalist teams. Indeed, the Grant-Emad-Quan team from the University of Quebec at Chicoutimi, composed of X. Grant Chen, Quan Shao, and Emad Elgallad, proposed an "Al-Sc-Zr alloy for conductors with high thermal resistance”. This team has, in fact, managed to produce electric wires with high resistance and conductivity of AT1 to AT4 grades by skilfully microdosing the use of Sc. For its part, the EV Technologies team, led by Vincent Darlix, has proposed to use the aluminum-scandium alloy in the manufacture using the foundry process of casings for high-performance batteries. The results obtained for the alloys of the 5xx.x series showed that the addition of a small quantity of Sc made it possible to significantly increase the mechanical strength of this alloy (up to 180%).

Remember that during the first stage of this challenge, 15 teams from across Quebec submitted innovative ideas to use Sc in aluminum. Following the evaluation of the various concepts, three teams were selected to move on to the second stage, last January, where they had to demonstrate the feasibility of their concept. Each team had a grant awarded by Rio Tinto of $25,000 to support the realization of their project. The three teams worked intensively to realize in less than four months their concepts to demonstrate the advantages of scandium.

Rio Tinto, AluQuébec, and the RTMQ would like to thank all the teams that participated in the Défi Québec Aluminium-Scandium. Their involvement and the innovative ideas proposed made this challenge a great success.

 


Nouveau calendrier pour l'étape 2 du Défi // New timeline for Challenge Stage 2

Dec. 9, 2021, 12:25 p.m. PST by Dimitrios Filippou

La chronologie de l'étape 2 du Défi Québec Al-Sc a été modifiée pour permettre aux gagnants de l'étape 1 de mieux se préparer à la démonstration de leurs idées.

 

(EN) The timeline of Stage 2 of the Al-Sc Quebec Challenge has been modified to allow the winners of Stage 1 to prepare better for the demonstration of their ideas.


Annonce des équipes gagnantes de l’étape 1 // Announcement of the winning teams of Stage 1

Nov. 26, 2021, 9 a.m. PST by Dimitrios Filippou

(English below

Rio Tinto, AluQuébec et le RTMQ sont ravis d'annoncer les équipes qui passeront à l’étape 2 du Défi Québec Aluminium-Scandium soit :

  • L’équipe Grant-Emad-Quan (UQAC) composée de Quan Shao, Emad Elgallad et de X.-Grant Chen pour leur proposition concernant les «Conducteurs à haute résistance thermique»
  • L’équipe de Ferreol Skis composée de Félix Lapointe et Philippe Gosselin avec leur proposition «Le ScandAl pour révolutionner l’industrie du ski»
  • L’équipe de EV Technologies composée de Nicolas Brisson et Vincent Darlix pour leur projet concernant l’utilisation du Sc dans les «Batteries hautes performances».

La deuxième étape du défi permettra à ces trois équipes de démontrer la faisabilité de ces idées innovantes. Chaque équipe gagnante recevra donc 25 000$ CAD pour soutenir la réalisation d'une preuve de concept en utilisant l'alliage-mère Al-2%Sc de Rio Tinto. 

Nous avons été agréablement surpris par le nombre (15) et de la qualité des soumissions reçues et nous tenons à remercier tous les participants. La prochaine étape du Défi permettra peut-être à une des équipes retenues de commercialiser leur application à l’aide d’une bourse qui peut aller jusqu’à 100 000$ CAD, si leur innovation s’avère techniquement et économiquement réalisable.

Nous remercions encore une fois les équipes participantes et souhaitons bonne chance aux trois équipes gagnantes!

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(EN) Rio Tinto, AluQuébec and the RTMQ are delighted to announce the teams that will advance to Stage 2 of the Quebec Challenge Aluminium-Scandium:

  • The Grant-Emad-Quan (UQAC) team composed of Quan Shao, Emad Elgallad and X.-Grant Chen for their proposal on “High thermal resistance conductors
  • The Ferreol Skis team composed of Félix Lapointe and Philippe Gosselin with their proposal “The ScandAl to revolutionize the ski industry
  • The EV Technologies team composed of Nicolas Brisson and Vincent Darlix for their project on the use of Sc in “High performance batteries.”

In Stage 2 of the Challenge, these three teams will be able to demonstrate the feasibility of their innovative ideas. Each winning team will therefore receive $25,000 CAD to carry out a proof of concept using the Al-2%Sc master alloy from Rio Tinto. 

We were pleasantly surprised by the number (15) and the quality of the submissions received and we would like to thank all the participants. The next stage of the Challenge may allow one of the successful teams to commercialize their application with a grant of up to $100,000 CAD, if their innovation proves technically and economically feasible.

We once again thank the participating teams, and wish the three winning teams good luck!


Le Défi reçoit plusieurs propositions : Annonce des gagnants le 26 novembre // The Challenge receives several proposals: Winners announcement on Nov. 26

Nov. 16, 2021, 11:31 a.m. PST by Dimitrios Filippou

Le Défi Québec Al-Sc a connu un franc succès : Nous avons reçu plus de propositions que prévu ! Pour évaluer toutes ces idées, nous devons reporter l’annonce des gagnants au 26 novembre.

 

(EN) The Défi Québec Al-Sc was a great success: We have received more proposals than expected! To evaluate all these ideas, we have to postpone the announcement of the winners until November 26.


Fermeture de l'étape 1 du Défi // Closure of Stage 1 of the Challenge

Nov. 10, 2021, 5:57 a.m. PST by Dimitrios Filippou

L’Étape 1 du Défi Québec Al-Sc est maintenant fermée. Un très grand merci à ceux qui ont soumis des propositions. Les noms de gagnants seront annoncés le 19 novembre.

 

(EN) Stage 1 of the Quebec Challenge Al-Sc is now closed. A big thanks to those who have submitted their proposals. The names of the winners will be announced on November 19.  


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Lignes directrices / Guidelines

Lignes directrices / Guidelines

 

Les participants du défi doivent résider au Québec ou avoir un établissement au Québec / Challenge participants must reside in Quebec or maintain a place of business in Quebec

(See below for the English version of the Guidelines)

 

Contexte et objectifs

Rio Tinto Iron and Titanium (RTIT) a développé un procédé propre pour récupérer l'oxyde de scandium (Sc2O3) de sa fonderie de fer et de titane à Sorel-Tracy, QC et il construit actuellement une usine de démonstration d'une capacité annuelle de 3 tonnes Sc2O3. De plus, Rio Tinto Aluminium a produit avec succès un alliage-mère Al-2%Sc à partir d'oxyde de scandium RTIT. Cet alliage sera disponible pour un usage commercial sous forme de lingot ou de produit semi-fini tel que billette, tige ou brame.

La demande mondiale réelle de Sc2O3 est estimée à environ 10 à 20 t/a et seulement une petite fraction est utilisée pour produire des alliages aluminium-scandium. Il est connu depuis longtemps maintenant que de petites additions de scandium à l'aluminium (0,05 à 0,5 %) peuvent entraîner des améliorations remarquables au métal telles qu'une résistance mécanique plus élevée à des températures allant jusqu'à 350 °C, une résistance à la corrosion accrue, une meilleure soudabilité, etc. Rio Tinto a le potentiel de produire des quantités plus importantes d’oxyde de scandium Sc2O3 et d’alliage-mère Al-2%Sc, mais pour y parvenir, la valeur d'utilisation des alliages aluminium-scandium dans de nouvelles applications doit être démontrée.

 

Requis technologiques

Tel qu’expliqué précédemment, le demandeur devra être en mesure de quantifier l’effet de l'ajout du scandium à l'aluminium en termes de valeur, c'est-à-dire de réduction de poids, de durée de vie prolongée (résistance à la fatigue et à la corrosion), de gain en plage de température d'utilisation, de fabrication facilitée (soudabilité, superplasticité), etc.

Une preuve de concept devra être démontrée à l'étape 2, c'est-à-dire dans les 3 mois suivant la sélection des gagnants. Les gagnants de l'étape 1 recevront le soutien technique de Rio Tinto et d'AluQuébec pour réaliser cette étape. L'application devra être développée de manière à maximiser les effets positifs du scandium et à pallier les limitations associées à son utilisation dans les alliages d'aluminium.

 

Exemples de solution

Voici quelques exemples d'applications des alliages Al-Sc développés au fil des ans. Les participants au défi peuvent explorer davantage ces exemples ou proposer des applications totalement différentes.

Échangeurs de chaleur 

Les alliages d'aluminium utilisés dans les échangeurs de chaleur sont principalement de la série 3xxx sous forme de microtubes, d'ailettes et de collecteurs extrudés. Comme ces pièces sont brasées à environ 600 °C, il se produit une recristallisation de la microstructure, ce qui diminue significativement la résistance mécanique et la résistance à la corrosion des microtubes.

Une étude de 2012 a démontré que le remplacement des alliages 3102 par un alliage 1xxx avec 0,2 % Sc et 0,05 % Zr pouvait augmenter la pression d'éclatement des microtubes de l'échangeur de chaleur jusqu'à 80%, et ce avec une conductivité thermique potentiellement plus élevée et une force d'extrusion plus faible (C. Williams, Thèse de M.Sc. Université de l'Ohio, 2012). Ces améliorations post-brasage peuvent augmenter l'efficacité de l'échangeur de chaleur en augmentant la température de fonctionnement, en augmentant la pression interne du fluide ou en réduisant l'épaisseur des microtubes.

Fils de soudage 

Lorsque soudé, l'aluminium est sujet à la formation de fissures. Le risque de fissuration peut être réduit en utilisant un fil d’un alliage différent permettant d’augmenter la résistante à la fissuration (généralement des alliages des séries 4xxx et 5xxx). L'inconvénient de cette méthode est que le métal fondu qui en résulte possède une résistance inférieure à celle du métal de base ne répondant pas aux traitements thermiques ultérieurs. 

Dans une étude de Babu et al. (Mater. Chem. Phys., 137 (2012), 543–551), de l'aluminium 6082 dans un état T6 a été soudé au GTAW (TIG) à l'aide de matériaux de remplissage 4043 et 5356 modifiés au Sc. Les essais mécaniques réalisés sur des échantillons incluant la zone soudée ont montré qu'à l’état brut de soudage ou qu’après du traitement thermique équivalent à un T6 (190 °C/30 h), la limite élastique augmente jusqu’à environ 75% avec des gains significatifs en allongement de 2,5 % à 7 % sont observés lorsque testé à température ambiante. D'autres avantages associés à l'utilisation du Sc dans le matériel d'apport sont une augmentation de la résistance à la fatigue et une corrosion réduite de la zone soudée.

Fabrication additive 

La plupart des alliages d'aluminium actuellement utilisés dans la fabrication additive sont basés sur des alliages de fonderie populaires tels que AlSi10Mg, AlSi7Mg ou F357. Ces alliages présentent des propriétés mécaniques insuffisantes après la détente souvent requise après une fusion laser sélective (SLM). Ils nécessitent donc typiquement des opérations de mise en solution supplémentaire, de trempe et de vieillissement pour retrouver une certaine résistance. Ils ont également tendance à présenter une certaine anisotropie (c'est-à-dire des différences de propriétés dans les 3 directions x – y – z). En revanche, les alliages à plus haute résistance ont tendance à être sujets au déchirement à chaud. 

L'ajout de Sc à l'aluminium favorise l'affinement du grain et la résistance au déchirement à chaud. Lorsqu'il est recuit à 300 °C, une précipitation de Al3Sc se produit et la résistance mécanique de l'alliage peut augmenter considérablement, en fonction de la quantité de Sc ajoutée et retenue en solution pendant le procédé SLM. 

Dans une étude de simulation publiée en 2019, il a été montré que le poids final d'une pièce spécifique en alliage Al-Sc était près de 3 fois inférieur à celui de la même pièce en alliage AlSi10Mg (J. Meyer et J.E. Barnes, Metal Additive Manufacturing, 5 (1) (2019), 127-135). Le temps de construction représentant une part importante du coût final de la pièce, la simulation a montré que la pièce en alliage Al-Sc serait presque 2 fois moins dispendieuse à produire que son homologue en alliage AlSi10Mg.

 

Étape 1 – Concepts

Au cours de l'étape 1, le défi Québec Aluminium-Scandium a pour objectif d’identifier des nouvelles idées et solutions prometteuses qui seront sélectionnées pour un développement ultérieur à l'étape 2. Votre concept utilisant les alliages aluminium-scandium devrait être suffisamment développé pour que, si sélectionné, il puisse être développé et réalisé d'ici la fin de l'étape 2. Une soumission sérieuse à l'étape 1 devrait fournir une justification scientifique bien développée incluant toutes les données préliminaires nécessaires pour appuyer l'idée proposée.

L'étape 1 est ouverte aux personnes résidantes et travaillant au Québec, Canada ou aux groupes de personnes (entreprises, institutions, etc.) basées ou ayant une exploitation au Québec, Canada (voir règles d'admissibilité). La date limite pour soumettre votre proposition est le vendredi 29 octobre 2021, 16 h HE. Toutes les soumissions seront jugées par un groupe d'experts en utilisant les critères d'évaluation indiqués ci-dessous. Jusqu'à trois (3) des concepts les plus convaincants seront sélectionnés comme gagnants de l'étape 1. Chaque gagnant recevra 25 000 $ CAD pour soutenir les activités de développement et de démonstration réalisées à l'étape 2. Ce financement sera attribué à la suite de la signature d'un accord de non-divulgation mutuelle et d'une reconnaissance des termes et conditions liées à la participation à l'étape 2 du défi.

Toute personne ou entité qui n'est pas en mesure (ou ne choisit pas) de soutenir le développement et la démonstration de son concept à l'étape 2 peut tout de même faire une soumission à l'étape 1, étant convenu que des soumissions prometteuses pourraient aboutir à une licence négociée ou à d'autres accord avec Rio Tinto pour son développement interne. Le concept doit être suffisamment développé pour que Rio Tinto ou autres puissent entreprendre son développement en vue d'une commercialisation potentielle si un accord est conclu. En participant à l’étape 1 du défi, vous ne renoncez à aucun de vos droits sur votre propriété intellectuelle. Toute négociation de licence et tout accord potentiel seront traités séparément et dans un contexte différent de ce défi.

 

Critères d'évaluation de l'étape 1

Faisabilité technique (30% de la pondération)

  • Une justification scientifique solide et des éléments de preuve soutenant le concept de produits utilisant des alliages aluminium-scandium
  • Voie de commercialisation identifiée (consommant au moins 5 t/a d'alliage mère Al-2%Sc)
  • Force du plan proposé et des capacités de l'organisation pour le développement de l'étape 2 de faisabilité

 

Bénéfice du scandium (30% de la pondération)

  • Doit être en mesure de quantifier l'avantage de Sc en termes de valeur d'utilisation : réduction de poids, durée de vie des pièces plus longue (fatigue, corrosion), plus grande plage de fonctionnement (température) ou mise en forme facilité
  • Force de la justification soutenant les gains associés à l'utilisation du scandium dans l'alliage d'aluminium et la taille attendue du marché

 

Innovation (40% pondération)

  • Nouveauté/unicité de l'application proposée (par exemple, utilisée dans des applications non conventionnelles, combinant des méthodes connues mais utilisé d’une manière unique, totalement nouvelle dans le monde, etc.)
  • Potentiel pour Rio Tinto d'obtenir un accès unique à la propriété intellectuelle existante ou potentielle qui pourrait permettre un avantage concurrentiel

 

Étape 2 – Faisabilité

Seuls les gagnants de l'étape 1 peuvent participer à l'étape 2. Les participants acceptés de l'étape 2 recevront chacun 25 000 $ CAD en fonds de développement et un échantillon d'alliage-mère (jusqu'à 25 kg) au début de cette étape. Les participants à l'étape 2 entreprendront des travaux de d’analyse et de prototypage afin de démontrer la faisabilité de leur concept. À la fin de cette période de développement, les participants soumettront un rapport qui répondra aux critères énumérés ci-dessous. De plus, ils renverront à leur frais les échantillons du ou des produits aluminium-scandium fabriqués pour analyse par Rio Tinto, ainsi que tout alliage-mère inutilisé.

Les soumissions de l'étape 2 seront jugées par un groupe d'experts en utilisant les critères d'évaluation indiqués ci-dessous. L'analyse par Rio Tinto du produit fini en aluminium-scandium sera également un facteur dans le processus de soumission de l'étape 2. Les résultats de ces analyses seront partagés avec chaque participant respectivement. Le gagnant pourrait recevoir jusqu'à 100 000 $ CAD pour développer l'application gagnante et recevra le soutien des experts techniques et de production de Rio Tinto. 

 

Critères d'évaluation de l'étape 2

Faisabilité technique (40% de la pondération)

  • Vérification par Rio Tinto du produit fini en alliage aluminium-scandium (chimique, mécanique, etc.)
  • Réduction du risque technique démontrée et identification d'une voie pour la commercialisation vers l'objectif de 5 tonnes/an de consommation d'alliage-mère Al-2%Sc
  • Plan de projet proposé pour la suite du développement et de la commercialisation
  • Force et capacités de l'organisation pour réaliser un co-développement et une commercialisation

 

Bénéfice du scandium (30 % de la pondération)

  • Évaluation de la valeur d'usage optimisée et justification
  • Estimation des ressources nécessaires pour démontrer le procédé d’élaboration à plus grande échelle

 

Innovation (30% de la pondération)

  • Nouveauté/unicité de l'application proposée (par exemple, utilisée dans des applications non-conventionnelles, combinant des méthodes connues mais utilisé d’une manière unique, totalement nouvelle dans le monde, etc.)
  • Potentiel pour Rio Tinto d'obtenir un accès unique à la propriété intellectuelle existante ou potentielle qui pourrait permettre un avantage concurrentiel

 

Formulaire de soumission de l'étape 1

Description générale

  • Veuillez fournir un aperçu de l'approche que vous proposez pour utiliser le scandium dans une ou plusieurs applications d'alliage d'aluminium. Discutez de toute(s) justification(s) scientifique(s) à l'appui et si elles ont déjà été utilisées dans d'autres applications. S'il existe des données appuyant ces justifications, veuillez les fournir. (3 000 caractères maximum, espaces compris)
  • Téléchargez tous les documents à l'appui dans un fichier zip.

 

Faisabilité technique

  • Décrivez le stade actuel de développement et de faisabilité de ce concept ou de cette technologie. Quels sont les principaux obstacles techniques et comment travailleriez-vous pour les surmonter ? (2000 caractères maximum, espaces compris)
  • Veuillez décrire votre équipe. Énumérez les membres clés de l'équipe et leurs expériences en lien avec l’application, le cas échéant. (1 000 caractères maximum, espaces compris)
  • Si vous êtes sélectionné, avez-vous l'intention de participer à l'élaboration du concept à l'étape 2? (Si non, sautez les questions restantes dans cette section) Si oui, quelle expertise fournirez-vous directement dans le travail proposé? De quelle expertise supplémentaire ou soutien externe aurez-vous besoin ? (2 000 caractères maximum, espaces compris)
  • Si vous êtes un gagnant de l'étape 1, vous aurez environ 3 mois pour développer davantage votre approche et fournir une première démonstration de faisabilité technique, en utilisant les échantillons d'alliage-mère fournis par Rio Tinto. Veuillez partager votre plan de projet pour cet effort, y compris les tâches critiques, le calendrier, les ressources et la façon dont le financement de la bourse serait dépensé pour soutenir ces efforts. (3 000 caractères maximum, espaces compris)
  • Quelle justification ou preuve initiale pouvez-vous fournir pour soutenir la faisabilité d'une éventuelle mise à l'échelle du procédé à un volume plus grand (consommant au moins 5 t/a d'alliage-mère Al-2%Sc) ? (2 000 caractères maximum, espaces compris)

 

Bénéfice du scandium

  • Donnez des explications à propos de la valeur d'usage de l'application proposée en alliages Al-Sc. Vous pouvez inclure des détails sur la réduction des coûts par rapport à d'autres alliages, etc.
  • En utilisant l'approche que vous désirez, quel serait selon vous le coût final de l'application par unité de produit (1 000 caractères maximum)

 

Innovation

  • Veuillez discuter la nouveauté et le caractère unique de la solution que vous proposez. Par exemple, cette approche est-elle utilisée dans d'autres applications non-conventionnelles? S'agit-il de plusieurs méthodes connues regroupées de manière unique ? Est-ce complètement nouveau? (2 000 caractères maximum)
  • Existe-t-il une propriété intellectuelle ou un autre savoir-faire qui est appliqué dans cette solution ? Rappel : ne divulguez aucune information exclusive ou confidentielle. (1 000 caractères maximum)
  • Si l'approche que vous proposez s'avère fructueuse, pensez-vous qu'elle permettra de développer une nouvelle technologie brevetable ? Pourquoi? (2 000 caractères maximum)

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Background and Goals

Rio Tinto Iron and Titanium (RTIT) has developed a green process to recover scandium oxide (Sc2O3) from its iron and titanium smelter in Sorel-Tracy, QC and it is currently building a demonstration plant with an annual capacity 3 tonnes Sc2O3. In addition, Rio Tinto Aluminium has successfully produced Al-2%Sc master alloy from RTIT scandium oxide. This alloy will be available for commercial use in the form of ingot or semi-finished products such as billet, rod or slab.

The actual world demand for Sc is estimated at about 10 to 20 t/a, of which only a small fraction is used to produce aluminium-scandium alloys. However, it is known that small additions of scandium to aluminium (0.05 to 0.5%) can result in remarkable improvements in the metal properties such as higher mechanical strength at temperatures up to 350°C, increased corrosion resistance, better weldability, etc. Rio Tinto has the potential to produce more substantial quantities of Sc and Al-2%Sc master alloy, but to achieve this, the benefit of aluminium-scandium alloys in additional applications must be demonstrated. 

 

Technology Needs

The applicant will need to be able to quantify the benefit of scandium addition to aluminium in terms of value, i.e., weight reduction, extended service life (resistance to fatigue and corrosion), wider operating temperature range, improved processing (weldability, formability), etc. 

Participants in Stage 2 will have more than 3 months to demonstrate proof of concept for their proposed applications. They will also receive technical support from Rio Tinto and AluQuébec. The application should be developed in a way to maximize the positive effects and to alleviate the few limitations associated with the use of scandium in aluminium alloys.

 

Examples of Solution Paths

The following are few illustrative applications of Al-Sc alloys developed over the years. The challenge participants may explore further these examples to a further extent, or they may propose entirely different applications of Al-Sc alloys.

Heat Exchangers 

Aluminium alloys used in heat exchangers are mainly from the 3xxx series in the form of extruded microtubes, fins and headers. As these parts are brazed at about 600°C, recrystallization of the microstructure occurs, and this significantly decreases the mechanical strength and the corrosion resistance of the microtubes.

A 2012 study showed that replacing 3102 alloys by 1xxx with 0.2% Sc and 0.05% Zr could increase the burst pressure of heat exchanger microtubes by up to 80%, with potentially higher thermal conductivity and lower extrusion shear stress (C. Williams, M.Sc. Thesis. Ohio University, 2012). These post-braze improvements can increase heat exchanger efficiency by increasing the temperature of operation, increasing the fluid pressure or reducing the thickness of the microtubes.

Welding Wire 

When welded, aluminium is prone to crack formation. The cracking risk can be reduced by using a non-matching, crack-resistant filler (usually from the 4xxx and 5xxx series alloys). The disadvantage is that the resulting weld metal may have lower strength than the parent metal and not respond to a subsequent heat treatment.

In a study by Babu et al. (Mater. Chem. Phys., 137 (2012), 543–551), 6082 aluminium in a T6 condition was GTAW (TIG) welded using 4043 and 5356 Sc modified filler material. The mechanical testing realized on samples including the welded area showed that in as-welded condition or a post-welded heat treatment equivalent to a T6 (190°C/30h), yield strength increases up to 75%, with significant gains in elongation from about 2.5% to 7%, when tested at room temperature. Other benefits of using Sc in the filler material are an increase in fatigue resistance and improved corrosion of the welded area.

Additive Manufacturing 

Most aluminium alloys currently used in additive manufacturing are based on popular foundry alloys such as AlSi10Mg, AlSi7Mg or F357. These alloys present inadequate mechanical properties after the stress-relief that is often required after selective laser melting. (SLM). They therefore typically require undesirable extra subsequent solution treatment, quenching and ageing operations to regain some strength. They also tend to exhibit some anisotropy (i.e., property differences in the 3 directions x – y – z). By contrast, higher strength alloys tend to be prone to hot tearing.

The addition of Sc to aluminium promotes grain refinement and hot tearing resistance. When annealed at 300°C, Al3Sc precipitation occurs and the mechanical strength of the alloy can increase significantly, depending on how much Sc was added and retained in solution during the SLM process.

In a simulation study published in 2019, it was shown that the final weight of a specific part made of Al-Sc alloy was close to 3 times less than the same part made of AlSi10Mg alloy (J. Meyer and J.E. Barnes, Metal Additive Manufacturing, 5 (1) (2019), 127–135). As the time to build represents a high portion of the final cost of the part, the simulation showed that the part made of Al-Sc alloy would be almost 2 times less expensive than its counterpart made of AlSi10Mg alloy.

 

Stage 1 – Concepts

In Stage 1, the Aluminium-Scandium Quebec Challenge is designed to identify promising new ideas and solutions which will be selected for further development in Stage 2. Your Stage 1 concept for an application of aluminium-scandium alloys should be sufficiently advanced such that, if selected, it could be developed and demonstrated for initial feasibility by the end of Stage 2. Strong submissions for Stage 1 should provide a well-reasoned scientific rationale and any preliminary data supporting the proposed idea.

Stage 1 is open to individuals living and working in Quebec, Canada or groups of individuals (companies, institutions, etc.) based or having an operation in Quebec, Canada (see eligibility rules). The deadline for submitting your proposal is Friday, October 29, 2021, 4 pm ET. All submissions will be judged by a group of experts using the evaluation criteria shown below. Up to three (3) of the most compelling concepts will be selected as Stage 1 winners. Each winner will receive $25,000 CAD to support development and demonstration activities performed in Stage 2. This funding will be contingent on signing a mutual non-disclosure and separate acknowledgement of Terms & Conditions related to participation in Stage 2 of the Challenge (see Ressources Tabs).

Any individual or entity that is not in a position (or does not elect) to support further development and demonstration of their concept in Stage 2 may still consider submission for Stage 1, with the understanding that promising submissions could result in a negotiated license or other agreement with Rio Tinto for internal development.  The concept must be sufficiently advanced such that Rio Tinto or others could undertake further development for potential commercialization if an agreement is reached. By participating in the Stage 1 Challenge you are not forfeiting any of your rights to your intellectual property. Any licensing negotiations and potential agreement would be handled separately and outside of the scope of this Challenge.

 

Stage 1 Evaluation Criteria

Technical feasibility (30% weight)

  • Strong scientific rationale and proof points supporting the concept for products using aluminium-scandium alloys
  • Identified path for commercialization (consuming at least 5 t/a Al-2%Sc master alloy)
  • Soundness of proposed project plan and organization’s capabilities for feasibility stage development

Benefit of scandium (30% weight)

  • Must be able to quantify the benefit of Sc in terms of value: weight reduction, longer parts life (fatigue, corrosion), wider operation range (temperature) or improved processing
  • Strength of rationale supporting the benefit of scandium in the application and expected market size

Innovation (40% weight)

  • Novelty/uniqueness of the proposed application (e.g., used in non-conventional applications, combining known methods together in a unique manner, completely new to the world, etc.)
  • Potential for Rio Tinto to achieve unique access to existing or potential intellectual property that could enable competitive advantage

 

Stage 2 – Feasibility 

Only Stage 1 winners can participate in Stage 2. Accepted Stage 2 participants will each receive $25,000 CAD in development funds and a sample of master alloy (up to 25 kg) at the start of this stage. The Stage 2 participants will undertake analytical and prototyping development work in order to demonstrate the initial feasibility of their concept. At the end of the Stage 2 development period, participants will submit a report that addresses the criteria listed below. Additionally, they will send back the samples of the aluminium-scandium product(s) to analyze, as well as any unused master alloy at Rio Tinto’s charge.

Stage 2 submissions will be judged by a group of experts using the evaluation criteria shown below. Rio Tinto analysis of the final aluminium-scandium product will also be a factor in the Stage 2 submission process. Results of these analyses will be shared with each participant respectively. The winner could be awarded up to $100,000 CAD to further develop the winning application and will receive support from Rio Tinto technical and production experts. 

 

Stage 2 Evaluation Criteria

Technical feasibility (40% weight)

  • Rio Tinto’s verification of the final aluminium-scandium alloy product (chemical, mechanical, etc.)
  • Reduction of technical risk demonstrated and a clear path for commercialization to the target of 5 tonnes/year of Al-2%Sc master alloy consumption
  • Proposed project plan for further development and commercialization
  • Strength and capabilities of organization for co-development and commercialization

Benefit of scandium (30% weight)

  • Projected optimized value of scandium in the application and rationale
  • Estimate of resources needed to demonstrate the process at a bigger scale

Innovation (30% weight)

  • Novelty/uniqueness of the proposed application (e.g., used in non-conventional applications, combining known methods together in a unique manner, completely new to the world, etc.)
  • Potential for Rio Tinto to achieve unique access to existing or potential intellectual property that could enable competitive advantage

 

Stage 1 Submission Form

General Description

  • Please provide an overview of your proposed approach to use scandium in one or more aluminium alloy applications. Discuss any supporting scientific rationale(s) and whether they have been applied to other applications previously. If there is supporting data, please provide it. (3,000 characters maximum, including spaces)
  • Upload any supporting materials in a zip file.

Technical Feasibility

  • Describe the current stage of development and feasibility of this concept or technology. What are the major technical hurdles and how would you work to overcome them? (2000 characters maximum, including spaces)
  • Please describe your team. List key team members and backgrounds as appropriate. (1,000 characters maximum, including spaces)
  • If selected, do you intend to participate in developing the concept in Stage 2? (If no, skip remaining questions in this section) If yes, what expertise would you provide in relation to the proposed work? What additional expertise or external support will you need?  (2,000 characters maximum, including spaces)
  • If you are a Stage 1 winner, you will have about 4 months to further develop your approach and provide an initial demonstration of technical feasibility, using Rio Tinto supplied samples of master alloy. Please share your project plan for this effort, including key tasks, timeline, resources and how the award funding would be spent to support the efforts. (3,000 characters maximum, including spaces)
  • What rationale or initial proof points can you provide for the feasibility of potential scale-up of the process to high-volume (consuming at least 5 t/a Al-2%Sc master alloy)? (2,000 characters maximum, including spaces)

Benefit of scandium

  • Provide explanations about the value of scandium addition in the proposed application of Al-Sc alloys. You may include details on cost reduction against other alloys, etc.
  • Using your proposed approach, what do you project will be the application's final cost per unit of product (1,000 characters maximum)

Innovation

  • Please discuss the novelty and uniqueness of your proposed solution. For example, is this approach used in other non-conventional applications? Is it composed of several known methods coupled together in a unique manner? Is it a completely new idea, with no prior use in our world? (2,000 characters maximum)
  • Is there existing intellectual property or other know-how that is being applied in this solution? Reminder: do not disclose any proprietary or confidential information. (1,000 characters maximum)
  • If your proposed approach proves to be successful, do you believe it will enable new patentable technology?  Why or why not? (2,000 characters maximum)
Description technique / Technical Background