Deux formes de magnésium qui ont été transformées en tubes à l'aide d'une nouvelle technologie de fabrication appelée Shear Assisted Process and Extrusion (ou ShAPE) se sont avérées avoir des microstructures assez similaires et améliorées, même s'ils ont commencé très différemment.

Cette découverte confirme que la technologie ShAPE de PNNL peut extruder des composants directement à partir de moulages à faible coût et fournir des microstructures améliorées par rapport aux processus d'extrusion conventionnels. Les résultats pourraient signifier un produit moins coûteux et potentiellement plus performant pour l'automobile, aérospatial, et d'autres industries.

Cette recherche, menée par des scientifiques des matériaux et des ingénieurs du Pacific Northwest National Laboratory, a été publié dans Science et génie des matériaux :A .

Tout est dans le traitement

Les constructeurs automobiles étudient des matériaux plus légers pour remplacer les composants automobiles plus lourds en aluminium et en acier. Une alternative, le magnésium, offre un potentiel de 80 % d'économie de poids par rapport à l'acier, et 30 pour cent d'économies par rapport à l'aluminium déjà léger.

Cependant, les alliages de magnésium n'ont représenté que 0,5 % du poids d'un véhicule de tourisme typique au cours des deux dernières décennies.

C'est parce que le magnésium doit généralement être renforcé avec des éléments de terres rares pour renforcer ses propriétés d'absorption d'énergie. Malheureusement, les éléments de terres rares sont coûteux - plus de 10 fois le coût des alliages de magnésium sans éléments de terres rares.

Pour étudier comment le traitement des charges d'alimentation en magnésium contenant des éléments de terres non rares et bon marché a un impact sur les performances du produit extrudé, l'équipe du PNNL a transformé deux matières premières en tubes à l'aide de la technologie ShAPE, puis a effectué des analyses sur les tubes.

Billets et barres

Les deux matières premières que l'équipe a traitées et analysées étaient du magnésium ZK60 sous forme brute de coulée et à l'état T5 « travaillé à froid ».

Les billettes brutes de coulée sont constituées d'un mélange de métaux qui ont été fondus puis solidifiés dans une coulée - principalement du magnésium mais contenant également du zinc, zirconium, et de très petites quantités d'autres métaux. La coulée contient des grains de magnésium et d'autres phases, avec une gamme de tailles.

Les barres conditionnées T5 sont travaillées à froid dès la coulée, étant traité à travers une extrudeuse pour former une forme de barre, puis traité thermiquement. La granulométrie résultante, texture, et les particules de seconde phase diffèrent significativement de celles sous la forme brute de coulée.

L'équipe a utilisé ShAPE pour transformer les billettes brutes de coulée et les barres conditionnées en T5 en tubes dans des conditions de traitement similaires. ShAPE utilise une matrice rotative qui est "percutée" contre un conteneur contenant le matériau de magnésium, provoquant un échauffement par friction à l'interface matrice-matériau. Au fur et à mesure que la température augmente, le matériau se ramollit - mais ne fond pas - et s'écoule vers l'ouverture d'extrusion à travers des rainures en spirale usinées dans la face de la matrice pour former des tubes.

Les tubes produits pour cette étude avaient un diamètre extérieur de 50,8 mm (2 po) et une épaisseur de paroi de 1,9 mm (0,07 po). Ils ont été produits en utilisant plus de 20 fois moins de force de vérin par rapport aux méthodes d'extrusion conventionnelles.

Les analyses des deux matériaux après le traitement ShAPE ont montré que les microstructures étaient pratiquement identiques, suggérant que le produit final est indépendant de la forme de départ de l'alliage de magnésium. Ces microstructures ne pouvaient pas être distinguées des tubes ZK60 précédemment rapportés extrudés à l'aide de ShAPE, où deux fois la ductilité a été obtenue par rapport au matériau extrudé de manière conventionnelle. Ce résultat passionnant indique que ShAPE peut être utilisé pour extruder des produits directement à partir de moulages à faible coût, en une seule étape, tout en obtenant des propriétés qui dépassent celles des tubes extrudés de manière conventionnelle.

"Les résultats indiquent que les extrusions d'alliage de magnésium peuvent être fabriquées directement à partir de pièces moulées, avec des microstructures plus performantes que celles obtenues avec les méthodes d'extrusion conventionnelles - et sans le coût élevé des éléments des terres rares, " a déclaré Scott Whalen, scientifique des matériaux du PNNL, qui a dirigé l'étude. "Passer directement des castings peut réduire, voire éliminer, le besoin de procédés de traitement thermique énergivores requis avant d'effectuer une extrusion conventionnelle.

ShAPE fait partie de la suite croissante de capacités de PNNL dans le traitement en phase solide - ou SPP, une approche disruptive de la fabrication des métaux qui peut être meilleure, moins cher, et plus écologiques que les méthodes à base de fonte généralement associées à la fabrication de métaux.