Sc/Zr and Zn/Zr modification of Al–7Mg alloys fabricated by laser- directed energy deposition: Grain refinement, tensile properties, and corrosion behavior
Cette étude démontre que l'optimisation des modifications Sc/Zr et Zn/Zr dans les alliages Al–7Mg déposés par dépôt de l'énergie dirigée par laser permet d'affiner efficacement la structure granulaire pour obtenir un équilibre supérieur entre une résistance à la traction élevée et une résistance à la corrosion, offrant ainsi une stratégie rentable pour réduire la dépendance au scandium.
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Les pièces métalliques pour les avions, les voitures et les navires doivent souvent être à la fois incroyablement solides et légères, tout en résistant à la morsure lente et destructrice de la rouille et de l'eau salée. Pendant des décennies, les ingénieurs se sont appuyés sur l'aluminium pour ces tâches car il est naturellement léger et résistant à la corrosion. Cependant, fabriquer des pièces en aluminium qui soient également assez solides pour des applications à fortes contraintes est resté un défi persistant, en particulier lors de l'utilisation de techniques de fabrication modernes qui construisent des objets couche par couche. L'une de ces techniques, connue sous le nom de dépôt de둴 d'énergie dirigée par laser, fonctionne comme une torche de soudage de haute précision qui fait fondre de la poudre métallique et la fusionne en une forme solide. Bien que cette méthode permette la création de structures complexes et légères que les usines traditionnelles ne peuvent produire, elle laisse souvent le métal avec une structure interne grossière et irrégulière qui le rend faible et sujet aux fissures. Pour y remédier, les scientifiques cherchent depuis longtemps à ajouter de petites quantités d'éléments spécifiques au mélange d'aluminium afin d'affiner sa structure de grain interne, un peu comme un boulanger ajouterait un ingrédient spécifique pour s'assurer que le pain lève uniformément, mais trouver un moyen de le faire sans utiliser de matériaux coûteux ou rares a été le saint graal du domaine.
Une équipe de chercheurs s'est lancée dans la résolution de ce problème en testant deux stratégies différentes pour modifier un alliage d'aluminium courant contenant sept pour cent de magnésium. Leur objectif était de voir s'ils pouvaient créer un matériau qui soit non seulement solide et sans fissures, mais aussi résistant à la corrosion, tout en maintenant les coûts bas. Ils ont commencé par utiliser un laser pour fondre et fusionner de la poudre métallique, en ajustant soigneusement la puissance du laser et la vitesse à laquelle il se déplaçait pour s'assurer que le métal fondait uniformément sans former de trous ou de fissures. Une fois qu'ils ont perfectionné le processus d'impression pour l'alliage d'aluminium de base, ils ont introduit deux ensembles différents d'additifs. Le premier ensemble comprenait de petites quantités de scandium et de zirconium, des éléments connus pour être excellents pour diviser les gros grains métalliques en grains minuscules et uniformes, bien que le scandium soit notoirement coûteux et difficile à s'approvisionner. Le second ensemble remplaçait le scandium coûteux par du zinc, un métal beaucoup plus commun et moins cher, associé au zirconium, pour voir s'il pouvait obtenir des résultats similaires.
Les résultats de leurs expériences ont révélé une image claire de la manière dont ces additifs ont modifié le métal. L'alliage d'aluminium de base, sans aucun additif spécial, formait de gros grains mesurant en moyenne plus de cent micromètres, ce qui correspond environ à la largeur d'un cheveu humain. Lorsque les chercheurs ont ajouté du scandium et du zirconium, la structure interne a changé radicalement. Les grains sont devenus incroyablement fins, passant à une taille moyenne de moins de dix micromètres. Cet affinement a rendu le métal nettement plus fort et plus uniforme. L'alliage avec une plus grande quantité de scandium s'est avéré être le plus solide, capable de supporter une force de traction de plus de quatre cents mégapascals avant de rompre, tout en conservant suffisamment de flexibilité pour s'étirer sans se casser. Curieusement, les alliages modifiés au zinc ont également montré une amélioration majeure par rapport au métal de base, avec des grains rétrécissant à environ quinze ou seize micromètres. Bien que non aussi fins que les versions au scandium, ce niveau d'affinement était tout de même impressionnant et a abouti à un matériau presque aussi solide que l'option la plus coûteuse.
Au-delà de la solidité, les chercheurs étaient curieux de voir comment ces nouveaux alliages résisteraient à la corrosion, un facteur critique pour tout métal utilisé dans des environnements marins ou automobiles. Ils ont exposé les échantillons imprimés à une brume constante d'eau salée pendant plusieurs jours pour simuler des conditions de terrain difficiles. L'alliage contenant la plus faible quantité de scandium a obtenu les meilleurs résultats lors de ce test, perdant le moins de poids et présentant le taux de corrosion le plus lent. Les alliages modifiés au zinc, bien que solides, ont montré des taux de corrosion légèrement plus élevés, suggérant que le zinc pourrait créer de minuscules zones au sein du métal où la rouille pourrait démarrer plus facilement. L'étude a également noté que lors du processus d'impression laser, une partie du magnésium et du zinc s'est évaporée en raison de l'intensité de la chaleur, mais les alliages ont conservé suffisamment de ces éléments pour fonctionner comme prévu. Le scandium et le zirconium, quant à eux, sont restés stables tout au long du processus.
Les conclusions suggèrent une voie pratique pour l'industrie. Bien que l'alliage modifié au scandium offre le meilleur équilibre global entre solidité et résistance à la corrosion, la version modifiée au zinc constitue une alternative convaincante et à moindre coût qui offre néanmoins des performances élevées. Les chercheurs ont démontré qu'en contrôlant soigneusement le processus d'impression et en choisissant le bon mélange d'éléments, il est possible de créer des pièces en aluminium exemptes de fissures, dotées d'une structure interne très fine et possédant la force mécanique nécessaire pour des applications exigeantes. Ce travail indique que les ingénieurs n'ont pas nécessairement besoin de compter sur les matériaux les plus coûteux pour obtenir des résultats de haute qualité ; au lieu de cela, ils peuvent utiliser des combinaisons stratégiques d'éléments communs et rares pour façonner l'aluminium pour l'avenir de la fabrication légère.
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