Microstructural and Mechanical Properties of Additive Friction Stir Deposited Aluminum 7050 Alloy
Cette étude démontre que si le dépôt par friction malaxage additive de l'AA7050 produit un matériau à haute résistance, sa ductilité quasi nulle est causée par des défauts interfoliaires qui, lorsqu'ils sont éliminés par pressage isostatique à chaud, restaurent la ductilité mais réduisent considérablement la résistance en raison du grossissement des précipités, mettant en évidence un compromis critique entre l'élimination des défauts et la stabilité microstructurale.
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Les alliages d'aluminium à haute résistance sont le pilier de l'aviation moderne, choisis pour leur capacité à supporter des charges lourdes tout en maintenant les aéronefs légers. Parmi ceux-ci, une famille spécifique connue sous le nom de série 7000, particulièrement l'alliage 7050, est prisée pour sa force exceptionnelle et sa résistance à la fissuration. Traditionnellement, la fabrication de pièces à partir de ce métal implique de le faire fondre et de le couler, ou de le façonner à l'état solide par forgeage et laminage. Cependant, ces méthodes peinent avec les formes complexes et peuvent introduire des faiblesses telles que des fissures ou un mélange inégal des composants. Ces dernières années, les ingénieurs se sont tournés vers la fabrication additive, souvent appelée impression 3D, pour construire ces pièces couche par couche. Si certaines méthodes d'impression font fondre le métal, une approche plus récente appelée dépôt par friction malaxage additive maintient le métal à l'état solide. Au lieu de le faire fondre, elle utilise un outil rotatif pour frotter le matériau, générant suffisamment de chaleur et de pression pour fusionner les couches sans jamais transformer le métal en liquide. Ce processus à l'état solide évite les fissures qui affectent souvent le métal fondu, mais les scientifiques ne savaient pas comment cela affectait la structure interne et la résistance de ces alliages spécifiques de haute performance.
Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de comprendre exactement ce qui se passe lorsqu'ils utilisent cette méthode d'impression à l'état solide sur l'aluminium 7050. Ils ont construit un bloc de ce métal en le déposant couche par couche, créant une structure solide presque exempte des vides habituels trouvés dans d'autres méthodes d'impression. Lorsqu'ils ont testé la résistance de ce nouveau bloc imprimé, ils ont trouvé des résultats surprenants. Le matériau était incroyablement solide, supportant presque autant de poids que le meilleur métal forgé traditionnel. Cependant, il était aussi dangereusement fragile. Si vous essayiez de l'étirer, il se briserait immédiatement sans se plier ni donner de signe avant-coureur, contrairement au métal traditionnel qui s'étirerait de manière significative avant de rompre. Les chercheurs ont découvert que le métal lui-même était correct, mais que la façon dont les couches adhéraient était défectueuse. De minuscules espaces et pores invisibles se sont formés entre les couches, agissant comme de minuscules fissures qui provoquaient la rupture de la pièce entière dès qu'elle était tirée.
Pour corriger cela, les chercheurs ont pris une partie du bloc imprimé et l'ont soumis à un processus appelé pressage isostatique à chaud. Imaginez placer le métal dans une chambre géante et scellée, remplie de gaz, et le chauffer tout en le comprimant avec une pression immense de tous les côtés. Ce traitement a forcé le métal à s'écouler dans ces minuscules interstices, les refermant et rendant le matériau complètement solide. Le résultat fut un changement radical de comportement. Le métal est devenu beaucoup plus flexible, s'étirant presque autant que la version forgée traditionnelle avant de rompre. Cependant, cette correction avait un coût. La chaleur et la pression intenses qui ont scellé les vides ont également modifié les minuscules cristaux internes qui confèrent sa force au métal. Ces éléments de renforcement sont devenus plus gros et moins efficaces, provoquant une baisse significative de la résistance globale du métal par rapport à son état imprimé d'origine.
L'étude a révélé un compromis clair dans ce processus de fabrication. L'impression initiale a créé un matériau qui était fort mais fragile à cause des vides cachés entre les couches. Le scellement de ces vides a rendu le métal sûr et flexible à nouveau, mais cela a affaibli la capacité du métal à supporter des charges lourdes. Les chercheurs ont conclu que pour que cette technologie fonctionne pour des pièces aéronautiques réelles, ils ne peuvent pas compter uniquement sur la réparation du métal après son impression. Au lieu de cela, ils doivent perfectionner le processus d'impression lui-même afin d'empêcher la formation de ces vides dès le départ, tout en contrôlant soigneusement la chaleur pour que la force interne du métal ne soit pas perdue lors de la réparation. Ce travail souligne que si l'impression à l'état solide offre une voie prometteuse pour la création de pièces complexes et à haute résistance, maîtriser l'équilibre entre l'élimination des défauts et la préservation de la résistance est la clé pour en faire une alternative viable à la fabrication traditionnelle.
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