Bifilm generation in metal handling and degassing: Total numbers, sizes and damage

Dans le monde de la fonderie de métaux, la résistance d'une pièce finie dépend souvent de ce qui ne peut pas être vu. Lorsqu'on verse de l'aluminium en fusion dans un moule, celui-ci est constamment exposé à l'air, et ce contact crée une fine peau d'oxyde invisible à la surface. Si le métal liquide est remué ou versé avec négligence, cette peau peut se replier sur elle-même, emprisonnant une minuscule poche d'air entre les deux couches. Les ingénieurs appellent ces peaux repliées des « bifilms ». Ce ne sont pas seulement des trous vides ; ils sont comme des fissures microscopiques à double couche qui agissent comme des points faibles à l'intérieur du métal. Bien que les méthodes de test traditionnelles recherchent ces défauts en vérifiant la quantité de retrait du métal ou le nombre de bulles visibles, ces tests passent souvent à côté de la grande majorité des dommages. La véritable question à laquelle les fabricants sont confrontés n'est pas seulement de savoir si ces défauts existent, mais combien sont créés lors du processus désordonné et turbulent de mouvement et de traitement du métal en fusion, et quel mal ils causent réellement.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Jönköping a porté un regard neuf sur ce problème, allant au-delà de la simple observation pour construire une image détaillée de la naissance de ces défauts cachés. Ils se sont concentrés sur deux moments spécifiques de la ligne de production où le métal est le plus susceptible d'être endommagé : lorsqu'il est versé d'un contenant à un autre, et lorsqu'il est traité avec une tige rotative pour éliminer les gaz. En combinant des modèles mathématiques de mouvement des fluides avec l'imagerie de haute technologie d'échantillons de métal réels, ils ont découvert que la façon dont nous manipulons actuellement l'aluminium fondu crée bien plus de dommages que quiconque ne l'avait réalisé, et que l'étape la plus dangereuse n'est pas l'élimination des gaz, mais le simple acte de verser.

Les chercheurs ont commencé par modéliser la physique de ce qui se passe lorsqu'on verse un liquide. Imaginez un jet d'eau tombant d'une certaine hauteur dans un seau ; l'impact crée des ondulations et des éclaboussures qui emprisonnent l'air. De la même manière, lorsque l'aluminium fondu est versé d'un four dans une poche, ou d'une poche dans un four de maintien, le jet descendant frappe la surface du bassin en dessous. Cet impact crée un type spécifique de turbulence qui déchire la peau d'oxyde de surface et la replie dans le liquide. L'équipe a calculé que, dans des conditions industrielles typiques impliquant deux transferts de ce type, ce processus génère à lui seul un minimum de 1 577 de ces défauts d'oxydes repliés dans chaque millimètre cube de métal. Ils ont découvert que la taille de ces défauts peut atteindre 83 micromètres, ce qui correspond environ à la largeur d'un cheveu humain.

Ensuite, ils ont examiné le processus de dégazage rotatif. Dans cette étape, une tige rotative est plongée dans le métal fondu pendant qu'un gaz inerte est injecté par bullage pour éliminer l'hydrogène indésirable. L'action de rotation crée un vortex qui aide les bulles de gaz à monter, transportant les impuretés vers la surface. Cependant, les chercheurs ont découvert que ce mouvement de rotation brise également les bulles de gaz en morceaux plus petits, et chacune de ces minuscules bulles devient un nouveau site de formation pour un film d'oxyde. Leur modèle a prédit que ce processus ajoute 92 défauts supplémentaires par millimètre cube. Bien que ce chiffre soit plus faible que celui créé par le versement, les chercheurs ont noté que les dommages causés par le dégazage sont très sensibles à la vitesse de rotation de la tige. Si la rotation est trop rapide, la turbulence devient assez violente pour créer un nombre massif de petits défauts cachés, rendant l'étape de dégazage plus nocive que prévu.

Pour vérifier si leurs calculs correspondaient à la réalité, les scientifiques ont eu recours à une technique puissante appelée sectionnement sériel par faisceau d'ions focalisé. Au lieu de simplement regarder la surface d'un échantillon de métal, ils ont utilisé un faisceau d'ions pour découper le matériau couche par couche, créant ainsi une carte tridimensionnelle de l'intérieur. Ce qu'ils ont découvert était saisissant. Alors que leurs modèles prédisaient un minimum d'environ 1 577 défauts par millimètre cube, les échantillons réels contenaient environ 187 500 défauts d'oxydes cachés dans le même volume. C'est plus de deux ordres de grandeur de plus que la prédiction. Même lorsque les chercheurs ont ajusté leurs modèles pour tenir compte du fait que les bulles peuvent se diviser en plus petites bulles « filles » — augmentant potentiellement le nombre prédit entre 6 000 et 8 000 par millimètre cube — l'écart restait énorme.

Cette énorme divergence a conduit l'équipe à une conclusion critique : les processus de versement et de dégazage, bien qu'endommageurs, ne sont pas la seule source du problème. Le nombre élevé de défauts trouvés dans les échantillons suggère qu'une partie importante de ces films d'oxyde est déjà présente dans l'aluminium brut avant même qu'il n'atteigne l'usine de fonderie. Ils proviennent probablement de la production primaire du métal, un processus qui remonte aux premiers jours de la fusion de l'aluminium. Cela signifie que même si une fonderie perfectionne sa technique de versement, elle ne peut pas éliminer tous les défauts car le matériau arrive avec un historique caché de dommages.

Les chercheurs ont également développé une méthode pour mesurer la dangerosité de ces défauts, non pas seulement en les comptant, mais en considérant leur taille et leur position à l'intérieur du métal. Ils ont découvert que les défauts créés lors du versement sont généralement plus grands et plus dommageables que ceux créés lors du dégazage. En fait, les dommages causés par un seul versement depuis une hauteur de seulement 0,3 mètre sont environ équivalents à six minutes de dégazage vigoureux. Cette découverte remet en question les pratiques industrielles actuelles, qui se concentrent souvent lourdement sur l'optimisation de l'étape de dégazage tout en accordant moins d'attention au transfert du métal. L'étude suggère que le moyen le plus efficace d'améliorer la qualité de l'aluminium coulé est de minimiser la turbulence et la hauteur du versement, plutôt que de simplement tenter de nettoyer le métal après coup.

En fin de compte, ce travail transforme notre compréhension des raisons pour lesquelles les pièces en aluminium échouent. Il ne suffit pas de chercher les gros trous visibles qui se forment lorsque le gaz se dilate ; la véritable menace réside dans les millions de minuscules films d'oxyde repliés qui sont invisibles à l'œil nu et aux tests standards. Ces films agissent comme des points de départ pour des fissures qui peuvent fragiliser le métal sous l'effet de la contrainte. En réalisant que la matière première arrive avec une lourde charge de ces défauts cachés, et que le versement en ajoute encore davantage, les ingénieurs peuvent commencer à repenser la manipulation du métal en fusion. L'objectif n'est plus seulement d'éliminer les défauts, mais de comprendre que le voyage du métal, du four au moule, est un processus continu d'accumulation de dommages, où les actions les plus simples, comme le versement, peuvent avoir l'impact le plus profond sur la résistance finale de la pièce.