Investigation of the Effects of Solution Rapid Treatment on Wear Properties of AlSi10Mg Alloy

Résumé technique : Étude des effets du traitement de mise en solution rapide sur les propriétés d'usure de l'alliage AlSi10Mg

Problématique
La fabrication additive (FA) d'alliages AlSi10Mg via la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) produit des composants présentant une haute résistance à l'usure à l'état brut de fabrication (AB) grâce à leur microstructure cellulaire ultra-fine et un réseau continu de silicium (Si). Cependant, ces pièces brutes possèdent souvent une résistance à la traction et une ductilité insuffisantes pour des applications critiques, nécessissant des traitements thermiques post-traitement. Le traitement thermique conventionnel T6 (mise en solution à 540 °C pendant 2 heures, trempe à l'eau et vieillissement artificiel) améliore les propriétés mécaniques mais induit un grossissement microstructural significatif. Plus précisément, la dissolution du réseau fin de Si et la croissance subséquente des particules de Si entraînent un adoucissement de la matrice et une réduction de la résistance à l'usure par rapport à l'état brut. De plus, les traitements thermiques traditionnels de longue durée sont gourmands en énergie et réduisent la productivité, ce qui entre en conflit avec les objectifs de durabilité. Il existe un besoin pour une voie de post-traitement efficace qui améliore les propriétés mécaniques sans compromettre la résistance à l'usure ni engendrer des coûts énergétiques excessifs.

Méthodologie
L'étude a utilisé des systèmes EOS M290 pour produire des pièces en AlSi10Mg par frittage laser direct sur métal (DMLS) avec des paramètres spécifiques (puissance laser de 270 W, vitesse de balayage de 1300 mm/s, densité d'énergie de 36,43 J/mm³). Les chercheurs ont comparé quatre conditions distinctes :

1. Brut de fabrication (AB) : Aucun traitement thermique.
2. T6 conventionnel : Mise en solution à 540 °C pendant 2 heures, trempe à l'eau (WQ) et cycle de vieillissement à 160 °C pendant 12 heures.
3. T6 rapide (RT6) : Quatre variations impliquant des temps de mise en solution considérablement raccourcis (5 ou 10 minutes) à des températures de 510 °C ou 540 °C, suivies d'une trempe à l'eau (WQ) et du même cycle de vieillissement.

La caractérisation comprenait la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage (MEB), la diffraction des rayons X (DRX) et l'analyse de la porosité. Les propriétés mécaniques ont été évaluées par essais de dureté et essais de traction. Les performances tribologiques ont été évaluées à l'aide d'un essai d'usure par glissement réciproque bille sur plan (bille WC, charge de 2 N, distance de glissement de 25 m) dans des conditions de glissement à sec. Les traces d'usure ont été analysées par profilométrie 3D et MEB/EDS pour déterminer les mécanismes d'usure.

Résultats clés

• Évolution microstructurale : L'état AB présentait un motif de bain de fusion avec un réseau eutectique-Si continu. Le traitement T6 conventionnel a provoqué la rupture de ce réseau, entraînant des particules de Si grossières et isolées (espacement jusqu'à ~1,79 µm) et un adoucissement de la matrice α-Al. Les traitements T6 rapides ont préservé une distribution plus homogène de particules de Si plus fines et sphéroïdes. L'espacement entre les particules dans la condition rapide optimale (RT6-3) était nettement plus petit (1,17 µm) que dans le cas du T6 conventionnel.
• Dureté et propriétés mécaniques : L'échantillon AB possédait la dureté la plus élevée (~120 HV) en raison de sa structure cellulaire fine. Le T6 conventionnel a entraîné une chute significative de la dureté (adoucissement). Les traitements T6 rapides ont atténué cet adoucissement ; notamment, la condition RT6-3 (540 °C / 5 min) a conservé une dureté plus élevée que l'échantillon T6 conventionnel. Bien que les valeurs de résistance à la traction pour le T6 rapide soient généralement inférieures à celles de l'état AB, elles étaient comparables ou légèrement supérieures au T6 conventionnel, avec des améliorations significatives de la ductilité (allongement).
• Performance d'usure :
  • T6 conventionnel : A présenté la pire résistance à l'usure parmi les échantillons traités thermiquement, avec un volume de perte par usure environ 50 % plus élevé que l'état brut. Cela a été attribué au grossissement du Si et à l'adoucissement de la matrice.
  • T6 rapide : La condition RT6-3 (540 °C pendant 5 minutes) a atteint la perte de volume d'usure la plus faible (0,165 mm³), représentant une amélioration de ~40 % de la performance d'usure par rapport au T6 conventionnel et une amélioration de ~30 % par rapport à l'état brut.
  • RT6-2 (510 °C / 10 min) : A montré la perte de volume d'usure la plus élevée parmi les traitements rapides, soit presque le double de RT6-3, indiquant que les combinaisons temps-température spécifiques sont critiques.
• Mécanismes d'usure : L'usure était principalement pilotée par l'oxydation et l'abrasion. Les échantillons AB, RT6-1 et RT6-3 ont maintenu des tribofilms d'oxyde stables et continus, entraînant une usure par oxydation modérée et des traces lisses. En revanche, les échantillons T6 conventionnel et RT6-2 ont présenté des films d'oxyde instables, conduisant à une usure adhésive sévère, un délaminage et un rainurage profond.

Contributions principales
L'article démontre que le traitement de mise en solution rapide (RT6) est une alternative viable au T6 conventionnel pour les alliages AlSi10Mg issus de la FA. La principale contribution est l'identification d'une voie optimale de T6 rapide (540 °C pendant 5 minutes) qui :

1. Améliore la résistance à l'usure : Surpasse à la fois l'état brut et les conditions de T6 conventionnel en maintenant une microstructure raffinée qui favorise la formation d'un tribofilm stable.
2. Préserve la dureté : Évite l'adoucissement étendu associé aux traitements de mise en solution de longue durée en limitant la croissance des particules de Si.
3. Améliore l'efficacité : Offre une stratégie de post-traitement efficace en termes de temps et d'énergie, réduisant le temps de mise en solution de 2 heures à 5 minutes.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que cette étude constitue une avancée industrielle significative pour les composants AlSi10Mg de FA destinés à des applications critiques de l'usure et de la charge. En optimisant les paramètres de traitement thermique, il est possible de surmonter le compromis entre le renforcement mécanique (qui nécessite souvent un T6) et la résistance à l'usure (souvent supérieure dans l'état brut). La recherche valide que les voies de T6 rapide peuvent produire une microstructure de type composite avec des particules de Si sphéroïdes qui équilibre la résistance, la ductilité et la résistance à l'usure. Les conclusions suggèrent que le traitement thermique rapide peut atténuer les effets indésirables de l'expansion des pores gazeux et du grossissement microstructural, offrant une solution durable et rentable pour les applications de fabrication additive de haute performance.