A kinetic study of hydrogen absorption and degassing behaviour of Duralcan composites

• Main Author: Zhang, Lin
• Format: Others
• Language: en
• Published: 1996
• Subjects: Génie des matériaux et génie métallurgique
• Online Access: http://constellation.uqac.ca/1154/1/1525781.pdf

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un programme de recherche visant à étudier l'impact de l'hydrogène dans les alliages d'aluminium et à mesurer par différentes méthodes la solubilité de ce gaz dans le métal liquide. L'objet de ce mémoire de maîtrise porte particulièrement sur la cinétique de dégazage et d'absorption de l'hydrogène dans deux composites de type DURALCANMD, produits par une usine pilote de la compagnie ALCAN: l'un pouvant être mis en forme par filage [W6D.22A ou 6061/Al2O3(p)] et l'autre développé spécialement pour les applications en fonderie [F3S.20S ou Al-Si-Mg/SiC{p)]. L'objectif principal est d'étudier l'effet des particules de renfort (A12O3, SiC) sur la cinétique et le mécanisme d'absorption de l'hydrogène dans ces matériaux hétérogènes. Il s'agit d'un travail original et d'intérêt tant sur le plan scientifique qu'industriel. Les variations des teneurs en hydrogène en fonction du temps dans les composites susmentionnées sont évaluées dans différentes conditions expérimentales favorisant soit l'absorption ou le dégazage de ce gaz. Un appareil de type "Alscan" est utilisé pour évaluer le dosage d'hydrogène. Pour fins de comparaison, les mêmes expériences sont réalisées parallèlement avec les alliages constituant les matrices de ces deux composites. Les résultats expérimentaux sont présentés sous forme de courbes montrant l'évolution de la teneur en hydrogène en fonction du temps. L'analyse de ces données à l'aide d'un modèle mathématique simplifié permet de mettre en évidence et d'évaluer les paramètres cinétiques des processus d'absorption et de dégazage des deux composites et de leurs matrices. Les paramètres ainsi déterminés sont nettement différents d'un composite à l'autre; ils montrent notamment que la vitesse d'absorption d'hydrogène dans le composite contenant des particules d'alumine est plus grande que dans le cas où le carbure de silicium constitue les éléments de renfort. Ces résultats discutés en considérant le rôle de la couche d'oxyde qui flotte sur le métal liquide et la composition des alliages constituant les matrices des deux composites. L'effet des conditions environnementales sur la cinétique d'absorption d'hydrogène est étudié. On observe que la teneur d'hydrogène dissous dans le liquide atteint une valeur d'équilibre qui est fonction de la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'atmosphère; la relation [H] - pHO obéit à la loi de Sieverts. La vitesse d'absorption d'hydrogène est évidemment fonction du taux d'humidité dans l'air, principale variable et force motrice du processus; cependant, les coefficients de transfert de masse développés dans le modèle mathématique demeurent les mêmes pour un composite ou un alliage donné, peu importe les conditions environnementales. Le temps nécessaire pour absorber l'hydrogène jusqu'à la moitié de la valeur d'équilibre est évalué dans différentes conditions expérimentales. Ces calculs montrent que ce temps est de l'ordre d'une demi-heure et qu'il est plus court pour les composites que leurs matrices correspondantes en alliage d'aluminium. L'effet du rapport surface libre (A) de métal fondu sur son volume (V) fait également l'objet d'expériences. Les résultats montrent que le taux d'absorption de l'hydrogène est directement proportionnel au rapport (A/V); on doit donc en conclure que le processus est contrôlé par les réactions et la diffusion aux interfaces avec la couche d'oxyde qui se forme au-dessus du matériau liquide.