Effect of micro rolling on laser-induced arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy

Dans la quête de construction de machines plus légères et plus résistantes, les ingénieurs se tournent souvent vers l'aluminium. C'est un métal qui pèse environ un tiers du poids du fer, tout en possédant la force et la résistance à la rouille nécessaires pour les tâches exigeantes de l'aérospatiale et de la défense. Cependant, transformer ce métal en pièces complexes et de formes personnalisées est difficile. Les méthodes traditionnelles comme la fonderie ou l'usinage peuvent être gaspilleuses ou limitées dans les formes qu'elles peuvent créer. Une approche plus récente, connue sous le nom de fabrication additive, construit des objets couche par couche, un peu comme une imprimante 3D, mais à une échelle beaucoup plus grande. Bien que cette technologie soit très prometteuse, elle est confrontée à un obstacle majeur : la chaleur intense utilisée pour fondre le fil métallique peut provoquer un refroidissement inégal du matériau. Ce refroidissement inégal entraîne souvent de grandes structures cristallines fragiles et de minuscules trous internes, ce qui peut rendre la pièce finale sujette aux fissures ou à la rupture sous l'effet de la contrainte. Pour un type spécifique d'alliage d'aluminium utilisé dans des applications critiques, connu sous le nom de série 2319, ces défauts sont particulièrement problématiques, limitant les performances du métal dans des conditions réelles.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs de l'Université de technologie de Dalian et de l'Université de Huaqiao ont développé une nouvelle méthode qui combine deux processus distincts : une source de chaleur hybride et un pressage mécanique. Ils ont utilisé une technique appelée fabrication additive par arc induit par laser, qui fond le fil d'aluminium grâce à une combinaison d'un arc électrique et d'un laser de faible puissance. Cette approche hybride aide à créer un bain de fusion plus stable qu'en utilisant un arc électrique seul. Mais la véritable innovation réside dans ce qui se passe immédiatement après le dépôt de chaque couche. Au lieu de laisser le métal chaud refroidir naturellement, l'équipe a passé un rouleau lourd sur la couche fraîche alors qu'elle était encore tiède. Ce processus, connu sous le nom de micro-laminage, aplatit la surface et applique une pression sur le métal. Les chercheurs voulaient voir si ce simple acte de laminage pouvait corriger les défauts internes causés par la chaleur et améliorer la résistance de la pièce d'aluminium finale.

L'équipe a fabriqué des blocs d'essai en utilisant du fil d'alliage d'aluminium 2319, créant des échantillons avec et sans l'étape de laminage. Ils ont ensuite examiné ces blocs de près pour voir ce qui se passait à l'intérieur du métal. Sans le laminage, le métal s'est refroidi en une structure dominée par de longs cristaux colonnaires qui croissaient vers le haut, de la même manière que les cristaux de glace se forment dans un congélateur. Ces longs cristaux, ainsi qu'un réseau de motifs fragiles semblables à des toiles formés par le mélange du cuivre et de l'aluminium, ont créé des points faibles dans le matériau. La surface de ces échantillons non laminés était également irrégulière, présentant de petites creux et des ondulations laissés par l'arc de soudage. Lorsque les chercheurs ont appliqué le processus de laminage, les résultats ont changé radicalement. La pression du rouleau a aplati la surface, éliminant les ondulations et créant une base lisse et plane pour la couche suivante. Plus important encore, la pression mécanique a brisé les longs cristaux colonnaires et les motifs fragiles en forme de toile. À leur place, le métal a formé de petits grains uniformes et arrondis, dispersés de manière homogène dans tout le matériau.

Cette transformation de la structure interne du métal a eu un impact direct et mesurable sur sa résistance. Les chercheurs ont constaté que les échantillons laminés étaient nettement plus durs et plus résistants que les échantillons non laminés. En moyenne, la dureté du métal laminé a augmenté de 4,6 % et sa capacité à résister à l'étirement, appelée résistance à la traction, s'est améliorée de 9,13 %. Le métal est également devenu plus constant ; les variations de résistance d'un point à l'autre ont été réduites, ce qui signifie que la pièce se comporterait de manière plus prévisible sous la contrainte. Le processus de laminage a également aidé à éliminer les minuscules poches d'air, ou pores, qui se retrouvent souvent piégées à l'intérieur du métal lors du processus de fusion. Dans les échantillons non laminés, ces pores étaient plus grands et avaient tendance à s'agglutiner, agissant comme des points faibles où des fissures pouvaient se former. Dans les échantillons laminés, ces pores étaient beaucoup plus petits et répartis uniformément, ce qui rendait la formation et la propagation d'une fissure beaucoup plus difficiles.

La raison de cette amélioration réside dans la façon dont le métal a réagi à la pression et à la chaleur. Lorsque le rouleau a pressé le métal chaud, il a forcé les atomes à se réorganiser et les cristaux à se briser en morceaux plus petits. Ce processus a créé une haute densité de défauts internes appelés dislocations, qui agissent comme une barrière au mouvement, rendant le métal plus dur à déformer. Lorsque la couche suivante de métal fondu a été ajoutée par-dessus, la chaleur de cette nouvelle couche a agi comme un traitement de recuit doux, permettant au métal de se stabiliser dans une nouvelle structure plus fine sans perdre les bénéfices de la pression. Les éléments cuivre et manganèse présents dans l'alliage, qui peuvent parfois s'agglutiner et causer de la faiblesse, ont également été répartis plus uniformément par le laminage. Cette distribution uniforme a empêché la formation de gros amas fragiles qui pourraient affaiblir la pièce. Les chercheurs ont observé que la direction dans laquelle les cristaux du métal croissaient est devenue moins dominante, réduisant la tendance du matériau à être fort dans une direction mais faible dans une autre.

En fin de compte, l'étude démontre que l'ajout d'une simple étape de laminage au processus de fabrication peut transformer une pièce d'aluminium standard en un composant de haute performance. En affinant la structure interne des grains et en éliminant les défauts, les chercheurs ont montré qu'il est possible de surmonter les limites de la fabrication additive traditionnelle pour cet alliage spécifique. Les conclusions suggèrent que cette approche combinée offre une voie pratique pour créer de grandes pièces d'aluminium complexes qui sont non seulement légères, mais aussi assez solides pour les applications les plus exigeantes de l'aérospatiale et de la défense. Ce travail confirme que le contrôle de l'état physique du métal pendant son refroidissement est tout aussi important que la chaleur utilisée pour le fondre, fournissant un nouvel outil aux ingénieurs pour construire de meilleures machines.