Les alliages d’aluminium nanostructurés

Introduction

Les alliages nanostructurés présentent une structure à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire une taille de grain inférieure à 1 μm, généralement de l’ordre de 100 à 500 nm pour les alliages d’aluminium. Pour comparaison, la taille de grain classique sur les alliages corroyés est de l’ordre de 10 à 100 μm.

En comparaison aux alliages d’aluminium obtenus par des procédés « classiques », ces alliages présentent des caractéristiques mécaniques améliorées, une dureté plus élevée qui permet une meilleure résistance à l’abrasion, leur fine microstructure permet l’obtention d’un très bon aspect de surface après polissage et leur conductivité thermique est améliorée.

Procédés d’obtention

Les procédés d’obtention par dépôt

La condensation sous gaz inerte : le métal évaporé dans un récipient rempli d’un gaz inerte se condense sous forme de fines particules, qui sont ensuite agglomérées et compactées.
La réalisation de dépôts électrolytiques.

Les procédés requérant une déformation plastique intense ou SPD (Severe Plastic Deformation)

Le but est d’appliquer un taux de déformation supérieur à 100 {1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661} sur le matériau en évitant que les dimensions macroscopiques des pièces ne soient affectées.

Les procédés les plus utilisés sont :

L’ECAP (Equal Channel Angular Pressing), qui est un procédé dérivé du filage.
Le HPT (High Pressure Torsion) : Le procédé consiste à placer un échantillon sous forme de disque entre deux enclumes. Une pression de 1 à 10 GPa et une torsion sont appliquées sur l’échantillon. Des taux de déformation très élevés peuvent être appliqués (typiquement 10⁵ {1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}), mais le cisaillement n’est pas homogène dans tout l’échantillon et il n’est pas possible de produire des pièces massives.

Schémas des procédés ECAP (à gauche) et HPT (à droite)

Les autres procédés de SPD sont l’ACD (Accumulative Cold Drawing) dérivé du tréfilage, L’ARB (Accumulative Roll Bonding), le CCB (Continuous Cyclic Bending) et le CGP (Constrained Groove Pressing) qui sont des procédés dérivés du laminage et la trituration.

Les procédés basés sur un refroidissement rapide du matériau ou RSP (Rapid Solidification Process)

Les vitesses de refroidissement sont généralement supérieures ou égales à 10⁶ °C/s.

L’atomisation : les procédés d’atomisation sous gaz/eau sont les plus courants et permettent l’obtention de particules de poudre de dimension micrométrique.
La fusion laser sur lit de poudre permet également d’obtenir des alliages nanostructurés sur des alliages à composition chimique particulière, tel que le Scalmalloy.
Le « Melt-spinning » : un filet vertical d’aluminium en fusion est versé sur une roue en cuivre tournant à une vitesse élevée. L’aluminium refroidit de manière quasi-instantanée formant ainsi un ruban continu. Le ruban ainsi créé est découpé en flocons qui sont ensuite compactés en profilés et barres.

Schéma du procédé de melt spinning

Mécanismes de durcissement des grains et microstructure

La fine taille des grains au sein des matériaux nanostructurés engendre une densité de joins de grains élevée. Ainsi lorsque le matériau est sollicité mécaniquement, le déplacement des dislocations est d’autant plus gêné et de ce fait, les valeurs de résistance mécanique, limite élastique et dureté sont d’autant plus importantes. La ductilité des alliages d’aluminium nanostructurés est faible de par la difficulté de mouvement des dislocations, ce qui engendre de faibles valeurs d’allongement à la rupture. La fine structure du matériau modifie également les caractéristiques mécaniques dynamiques du matériau en augmentant la résistance à l’amorçage mais en dégradant la résistance à la propagation des fissures.

Les procédés RSP permettent d’obtenir une nano-structuration par l’introduction de multiples dislocations au sein des grains. Celles-ci s’organisent sous forme de cellules faiblement désorientées et au fur et à mesure que la déformation augmente, leur désorientation s’accroit, si bien que leurs parois s’apparentent à des joins de grains.

Dans le cas du procédé « melt-spinning » la solidification rapide de l’alliage augmente la solubilité des éléments d’alliage dans la matrice d’aluminium ce qui engendre une microstructure fine et homogène.

Clichés réalisés au microscope électronique à balayage de la microstructure d’un alliage d’aluminium fabriqué par RSP (à gauche) par fonderie (à droite)

Les alliages disponibles et l’approvisionnement

RSP Technology utilise le procédé de « melt-spinning » et peut approvisionner sous forme de rubans, flocons, billettes, bloom, profilés, et à la demande sous forme de bruts de forge et de pièces usinées. Certains alliages tels que l’AlSi40 et l’AlSi50 ne peuvent être obtenus que par ce procédé.

La plupart des alliages d’aluminium existants peuvent être mis en œuvre par les procédés de SPD. La production d’alliages d’aluminium nanostructurés sous forme de tôles et billettes semble la plus prometteuse pour des applications industrielles, malgré le coût de production élevé.

Caractéristiques physiques et mécaniques des alliages d’aluminium fabriqués par Melt-spinning, commercialisés par la société RSP Technology :

Propriétés mécaniques obtenues pour quelques alliages mis en oeuvre par HPT, ECAP et ARB et par des procédés de mise en oeuvre classiques :

Matériau	Traitement	Rm (MPa)	Rp0,2 (MPa)	A{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661} ({1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661})
Al 1100	ARB (10 cycles)	330	290	4,8
Al 1100	H12	110	105	12
Al 6060	HPT	525		5
Al 6060	T6	250		8
Al 6061	HPT	690 ± 28	660 ± 21	5,5 ± 0,3
Al 6061	T6	365 ± 16	276 ± 14	14,0 ± 1,0
Al 6063	ECAP à 100°C	264		13
Al 6063	T6	200		14
Al 7075	HPT	1010	978	9,0
	ECAP	720	650	8,4
	T6	572	503	11

Domaines d’applications principaux et réalisations

Course automobile et R&D pour l’industrie automobile : les alliages chargés en silicium présentent un intérêt pour la réalisation de pistons et de divers éléments moteur, et permettent de fonctionner à des températures élevées. Les alliages à hautes caractéristiques mécaniques à température ambiante peuvent être utilisés comme agrafes et pièces de châssis.
Composants optiques et moules : la finesse de la microstructure permet d’obtenir un meilleur état de surface qu’un alliage d’aluminium obtenu par un procédé « classique ».
Aéronautique et défense, industrie du sport et médical : les intérêts de ces alliages sont leur bonnes caractéristiques mécaniques et leur faible densité. Typiquement, Airbus et RSP Technology ont investigué la fabrication de profilés en Scalmalloy pour les raisons précédentes, pour des applications de fabrication de raidisseurs.
Electronique : une application développée par Honeywell Electronic Materials concerne la fabrication de cibles par procédé ECAP pour pulvérisation cathodique.

Conclusion

Malgré tous les avantages des alliages d’aluminium nanostructurés, il est nécessaire de mieux comprendre la relation entre les mécanismes de durcissement et la microstructure pour trouver un bon compromis entre leurs caractéristiques mécaniques et leur ductilité, qui reste un point faible, pour tirer parti au mieux de leur potentiel.

A l’heure actuelle, peu d’entreprises mettent en œuvre ce type d’alliages de manière industrielle et la production reste cantonnée à de faibles volumes, avec un certain nombre d’étapes intermédiaires et des coûts de production élevés. L’approvisionnement de ces matériaux est donc difficile et ceux-ci sont actuellement dédiés à des utilisations de niche pour des applications de haute technologie, à forte valeur ajoutée.

Voici un lien vers la note de veille Cetim où vous pourrez trouver des informations plus complètes :

https://www.cetim.fr/mecatheque/Mecatheque/Veille-technologique/Note-de-Veille-alliages-d-aluminium-nanostructures

France Luxury Shirt renforce sa compétitivité face à la concurrence internationale Les propriétés de l’alliage AlSi7Mg0,6 en fusion laser sur lit de poudre (LPBF) enfin expliquées ! La contribution du soudage à la sauvegarde du patrimoine MELD : une technologie de Fabrication additive nouvelle 5 jours d’accompagnement gratuits avec Perform’Industrie

Le traitement thermique T6 inadapté à la fusion laser ?

Le congrès 3D Print & Exhibition vient de fermer ses portes à Lyon, à cette occasion les visiteurs ont pu déambuler dans les allées du plus gros congrès français dédié à la fabrication additive. L’occasion idéale de rappeler les spécificités du procédé avant que ces professionnels de l’Industrie ne succombent les yeux fermés aux sirènes de la fabrication additive. Parmi les particularités de ces procédés qui représentent à coup sûr le futur de notre industrie on retrouve la nécessité d’adapter des traitements thermiques aux pièces issues de ces nouvelles méthodes de fabrication.

Aujourd’hui, il est en effet largement admis que la majorité des procédés de mise en forme de matériaux métalliques implique l’utilisation de traitements thermiques pour répondre à la multitude de problématiques qu’ils génèrent. En effet il est parfois nécessaire de réaliser une relaxation des contraintes résiduelles après la mise en forme (détensionnement), de réduire (voir d’éliminer) l’anisotropie de la structure des grains ainsi que celle des caractéristiques mécaniques ou encore de durcir la matière par précipitation structurale. Sans parler du compromis à faire entre les valeurs de résistance mécanique (Rm), de limite élastique (Rp0.2) et d’allongement à la rupture (A{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}).

On retrouve ces mêmes problématiques dans le cadre de la fusion laser sur lit de poudre. De manière générale, tous les procédés de fabrication additive métallique sont concernés. Cependant ces derniers donnent naissance à des structures métallurgiques différentes de celles des procédés de mise en forme « classiques » comme l’usinage et la fonderie. Cet élément est à prendre en compte puisqu’il implique une adaptation des traitements thermiques.

Des structures métallurgiques différentes qui impliquent une adaptation des traitements thermiques

Détentionnement éprouvettes dans un four pour traitement thermique

Un sujet d’étude du programme SUPCHAD

L’adaptation des traitements thermiques aux spécificités de la fusion laser est l’un des sujets d’études du programme SUPCHAD.

Ce programme de R&D collaborative nous permet désormais de vous conseiller sur le traitement thermique le plus adapté à vos applications.

En savoir plus

Les alliages d’aluminium les plus utilisés en fusion laser sur lit de poudre proviennent de la famille 40000. Cette famille contient des alliages tels que l’AlSi12, l’AlSi10Mg, l’AlSi7Mg0.6 ou encore l’Alsi9Cu3. Ceux-ci contiennent une faible quantité de magnésium qui, couplé avec le silicium en excès, permettent un durcissement structural grâce à un traitement thermique adapté. Or c’est là que réside le cœur de la problématique, l’adaptation des traitements thermiques aux spécificités de la fusion laser.

Les pièces obtenues par fusion laser présentent en effet des structures métallurgiques particulières qui leur offrent des caractéristiques mécaniques généralement plus élevées que celles des produits issus de coulée. Cela s’explique par des tailles de grains et de dendrites qui sont plus fines, par un niveau de précipitation structurale différent et par un refroidissement très rapide qui donne naissance à une solution solide d’aluminium sursaturée. De plus, la température du plateau de fabrication et la stratégie de fabrication employée ont également des effets non négligeables sur la structure métallurgique, sur les contraintes résiduelles et sur les caractéristiques mécaniques des pièces brutes de fusion.

La connaissance et la compréhension de toutes ces spécificités apportent de nouvelles données qui permettent la mise au point de gammes de traitements thermiques efficientes comme c’est d’ores et déjà le cas pour les pièces issues de coulée. En effet, tous les alliages de la famille 40000 sont mis en œuvre par coulée grâce à des procédés de fabrication qui sont largement utilisés et maîtrisés. Si bien qu’il existe plusieurs gammes de traitements thermiques qui permettent de choisir différents compromis de caractéristiques mécaniques en vue d’une utilisation particulière. Or dans le cadre des procédés de fabrication novateurs comme le sont ceux de la fabrication additive métallique, le niveau de connaissance n’avait jusqu’alors pas permis d’élaborer de telles gammes de traitements thermiques. Les choses changent et petit à petit les traitements thermiques sont adaptés aux spécificités métallurgiques des pièces obtenues par fusion laser sur lit de poudre, avec en ligne de mire l’application visée.

Les traitements thermiques ou l’art du compromis

Dans l’état brut de fusion, les caractéristiques mécaniques élevées sont dues en partie à la finesse de la structure, or le recours à un traitement thermique génère un grossissement de celle-ci, ce qui occasionne donc une baisse des caractéristiques mécaniques. De plus l’utilisation d’un traitement thermique peut avoir pour effet de durcir le matériau par précipitation structurale. L’intérêt est donc de trouver un compromis entre la finesse de la microstructure et la taille/le nombre de précipités au sein du matériau pour obtenir des propriétés mécaniques optimales.

De manière générale et comme pour les autres procédés de fabrication de pièces métalliques, il est possible d’effectuer une étude qui déterminera quel est le traitement qui offre le compromis adéquat pour l’application visée en jouant sur les valeurs de Rm, de Rp0,2, d’A{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}, sur l’anisotropie des caractéristiques mécaniques et sur la détente des contraintes résiduelles.

L’exemple du traitement T6

Le traitement T6 (mise en solution, trempe et revenu) est généralement pratiqué sur les alliages de la famille 40 000. L’étape de mise en solution permet, comme son nom l’indique, de mettre en solution les éléments d’alliages. Le refroidissement rapide lors de la trempe maintient la solution solide en sursaturation tandis que le revenu occasionne un durcissement structural homogène par précipitation des éléments d’alliages en sursaturation.

Ce traitement doit être utilisé avec précaution sur des pièces issues de fusion laser sur lit de poudre puisqu’il ne produit pas systématiquement une amélioration des caractéristiques mécaniques. En effet pour l’AlSi10Mg, la dureté du matériau est plus faible suite à un T6 en comparaison avec l’état brut de fusion. On constate également la présence de polyèdres de silicium suite à la mise en solution. Ces polyèdres ont une influence sur les caractéristiques mécanique de l’alliage. Chose impossible lorsque la pièce est obtenue avec les procédés de fabrication traditionnels puisque l’on ne constate pas la présence de ces polyèdres de silicium à la suite à la mise en solution.

Le cas du traitement T6 n’est pas unique et il démontre l’importance de ne pas appliquer machinalement les traitements thermiques « standards » sans compréhension de leurs influences sur la métallurgie et sans étude préalable. Par « standards » on fait référence aux traitements thermiques utilisés sur les matériaux mis en œuvre avec les procédés de fabrication traditionnels.

observation polyèdre silicium suite à un traitement thermique

Observation au microscope électronique à balayage de polyèdres de silicium

Les traitements thermiques des fabricants de machines

Les traitements thermiques proposés par les fabricants de machine concernent le détensionnement (300°C – 2H chez SLM, EOS, Renishaw, 240°C – 6H chez Concept Laser) de la matière. L’objectif est bien entendu de limiter les déformations résiduelles des pièces suite à leur découpe du plateau de fabrication. Toutefois, pour les alliages d’aluminium en plus de la réduction des contraintes résiduelles, les détensionnements proposés réduisent l’anisotropie des caractéristiques mécaniques, diminuent les valeurs de Rm, de Rp0,2 et augmentent la valeur d’A{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}. Cela ne fait que confirmer l’importance d’étudier au cas par cas les traitements thermiques afin de soumettre les pièces obtenues par fabrication additive à des traitements adaptés.

L’écrouissage critique des alliages d’aluminium

Durcissement des alliages d’aluminium

Les durcissements par écrouissage ou structural permettent une augmentation des caractéristiques mécaniques des alliages : résistance à la traction (Rm), limite d’élasticité (Rp0,2{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}) et dureté. Il s’accompagne d’une diminution de l’allongement (A{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}) entraînant une perte de ductilité de l’alliage. Le choix entre durcissement par écrouissage et durcissement structural s’effectue en fonction de la famille d’alliages d’aluminium à traiter.

Le durcissement dit « structural » est obtenu grâce à la formation par précipitation d’une multitude de composés chimiques à l’issue d’une gamme de traitements thermiques. Lors de l’application d’une contrainte mécanique, la présence de ces précipités gêne la déformation plastique entraînant ainsi l’augmentation des caractéristiques mécaniques.

Ce mode concerne 3 familles (ou séries) d’alliage : Aluminium-Cuivre (série 2000), Aluminium-Magnésium-Silicium (série 6000) et Aluminium-Magnésium-Zinc (série 7000).

Le Durcissement par écrouissage

L’écrouissage est l’évolution des propriétés et de la microstructure d’un matériau cristallin lorsque sa structure interne subit une déformation plastique. Il en résulte un durcissement par la multiplication de défauts dans la maille cristalline (dislocations). Les procédés de déformation à froid comme le laminage, l’étirage, le tréfilage, ou des mises en œuvre par pliage ou chaudronnage produisent ce type de durcissement.

L’écrouissage de l’aluminium apporte une déformation de la matrice, qui stocke une petite partie de l’énergie (entre 2{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661} et 10{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}), sous forme de défauts de maille. La densité et la distribution de ces défauts forment une sous-structure cellulaire et entrainent des hétérogénéités plus importantes dans la distribution des mailles défectueuses, appelées « bandes de déformation » et formant des emplacements privilégiés pour initier une recristallisation.

Traitement thermique après écrouissage : Le recuit

Lors de la mise en forme par déformation plastique d’une pièce en alliage d’aluminium, l’écrouissage généré entraîne une perte de ductilité de l’alliage. Afin de poursuivre la mise en forme sans décohésion du métal, il convient de restaurer un certain niveau de plasticité, opération obtenue grâce au recuit. On distingue deux types de recuits :

le recuit de restauration : il présente une macrographie dans laquelle le motif et l’orientation des grains sont en grande partie conservés par rapport à l’état écroui. L’adoucissement des propriétés est assez peu marqué, le grossissement des grains est très faible voire inexistant. Les recuits de restauration correspondent à un perfectionnement du réseau du métal écroui.
le recuit de recristallisation : Ce recuit à très haute température se caractérise par l’apparition progressive de nouveaux cristaux orientés différemment de ceux du motif d’écrouissage. C’est au cours de ce recuit de recristallisation que peuvent apparaître de gros grains. L’adoucissement est très marqué. Sur les alliages écrouis, l’adoucissement par recristallisation augmente avec le taux d’écrouissage avant recuit. La température de recuit nécessaire pour un adoucissement identique est d’autant plus basse que le taux d’écrouissage est élevé. Un taux d’écrouissage minimal du produit est nécessaire pour éviter un grossissement anormal du grain lors des recuits de recristallisation.

Les paramètres d'écrouissage pour les alliages d'aluminium

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L’écrouissage critique

Pour chaque alliage, il existe une zone d’écrouissage pour laquelle le recuit risque d’entraîner un grossissement exagéré du grain défavorable pour la mise en forme et générant une altération de l’aspect de la pièce. La surface du métal après déformation peut prendre alors l’aspect inesthétique de « peau d’orange ». On définit donc la limite d’écrouissage critique inférieur (début de la zone d’écrouissage critique) et la limite d’écrouissage critique supérieur (fin de la zone d’écrouissage critique).

Lors d’un recuit, la grosseur moyenne du grain de recristallisation pour un alliage donné varie en sens inverse de l’écrouissage qui a précédé le recuit. On qualifie d’écrouissage « critique » le taux d’écrouissage pour lequel la recristallisation est rendue possible (aux conditions de recuit données). Le grain obtenu pour un écrouissage à ce taux précis est alors nommé « grain critique ».

Cette zone d’écrouissage critique est unique pour chaque matériau et dépend de nombreux facteurs: conditions de recuit, hérédité du matériau (nombre d’écrouissage/recuit subis) … Les limites d’écrouissage critique sont d’autant plus faibles que la température de recuit est élevée, à l’inverse, la grosseur du grain critique est d’autant plus importante que la température de recuit est élevée. En résumé, plus les limites sont faibles, plus la grosseur du grain critique est importante.

Facteurs influents

Certains éléments d’alliages, comme le manganèse, le zirconium ou le chrome, retardent la recristallisation, augmentent l’écrouissage critique et peuvent diminuer la grosseur du grain de recristallisation.

La vitesse de chauffage à la température de recuit a un effet important sur la grosseur du grain des alliages d’aluminium. Plus la vitesse est faible, plus le grain de recristallisation est gros.

Limitation de la grosseur des grains

Pour éviter le grossissement des grains dû à un écrouissage critique, deux moyens sont couramment utilisés :

Limiter l’écrouissage avant recuit à des valeurs telles que l’écrouissage critique ne soit pas atteint
Faire en sorte que l’écrouissage critique soit dépassé en tous points du produit pour que la texture finale soit recristallisée à grains assez fins

Ces deux moyens permettent d’éviter la zone d’écrouissage critique.

écrouissage contrainte et allongement

Études illustrant le phénomène d’écrouissage critique

Alliages testés

L’étude a porté sur des alliages couramment utilisés industriellement :

2 alliages à durcissement structural : 2017A état T4 (famille aluminium-cuivre) et 6061 état T6 (famille aluminium-magnésium-silicium)
1 alliage à durcissement par écrouissage : 5083 état recuit (O) (famille aluminium-magnésium)

État T4 : alliage ayant subi une gamme de traitements thermiques composée d’une mise en solution (maintien à 500°C pendant 1 heure), suivi d’une trempe à l’eau froide (T≤ 40°C) puis d’une maturation (durée de 4 jours à température ambiante)

État T6 : alliage ayant subi une gamme de traitements thermiques composée d’une mise en solution (maintien à 535°C pendant 1 heure), suivi d’une trempe à l’eau froide (T≤ 40°C) puis d’un revenu (maintien à 185°C pendant 6 heures)

Nature des essais

Les essais ont été effectués sur des éprouvettes prismatiques de traction (à section rectangulaire) prélevées et usinées à partir d’échantillons de tôle de chaque alliage.

Différents taux d’écrouissage ont été obtenus par déformation plastique par traction des éprouvettes (caractérisée par l’allongement A{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}). Différents recuits ont été par la suite effectués sur les éprouvettes en faisant varier les paramètres temps de maintien et température de four.

Des examens micrographiques ont ensuite été réalisés pour observer la microstructure de chaque alliage :

Enrobage, polissage des échantillons
Mise en évidence de la structure de chaque alliage après attaque métallographique
Observation des échantillons au microscope optique sous lumière polarisée

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Résultats des essais

La faible plasticité de l’alliage 2017A à l’état T4 n’a pas permis d’atteindre un taux d’écrouissage suffisant pour observer le grain de recristallisation critique. Afin de bénéficier du maximum de plasticité de chaque alliage, les alliages 2017A et 6061 ont été préalablement recuits avant la campagne d’essais d’écrouissage et de recuit.

Avec les paramètres d’essais pratiqués, aucune recristallisation n’a pu être obtenue pour l’alliage 2017A, ceci est dû en partie à la présence d’inhibiteurs de grossissement de grains et de recristallisation (fer, chrome, manganèse) dans cet alliage.
Pour les alliages 5083 et 6061, le taux d’écrouissage critique a été respectivement atteint pour 11{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661} et 13{1373dd200fcdbed67d8e7356551073913182d4223b749bcd5dd91b30da878661}. Il y a eu recristallisation et formation de grains critiques de grande taille.