Les images de l'alliage d'aluminium 7075 prises avec un microscope électronique à balayage avant (A), pendant (B) et après (C) le passage dans la machine ShAPE montrent comment la microstructure de l'alliage change considérablement pendant l'extrusion. L'effet de cisaillement de la machine ShAPE brise les particules, qui ressemblent à des grumeaux dans la pâte à gâteau, en morceaux beaucoup plus petits pour créer une microstructure plus uniforme. Crédit :Image de Joshua Silverstein | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
Les véhicules plus légers peuvent voyager plus loin avec moins d'énergie, ce qui stimule la demande de composants automobiles plus légers. Les alliages d'aluminium à hautes performances, comme l'alliage 7075, font partie des options les plus légères et les plus résistantes, mais ils nécessitent une production énergivore qui augmente les coûts et limite donc leur utilisation.
Les recherches du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) réduisent cette énergie de moitié grâce à un processus plus efficace de fabrication de composants en aluminium haute performance. Avec le soutien du bureau de fabrication avancée du ministère de l'Énergie, les chercheurs ont déterminé que la technologie de traitement et d'extrusion assistés par cisaillement (ShAPE) peut éliminer les étapes de traitement thermique dans le processus de production, ce qui entraîne des économies d'énergie importantes et une réduction des émissions. ShAPE est une approche de fabrication verte et abordable qui permet une large utilisation d'alliages d'aluminium hautes performances dans les applications automobiles.
Une recette pour la fabrication de métaux de nouvelle génération
Tout comme la cuisson d'un gâteau, la fabrication de métaux repose sur des ingrédients bien mélangés et beaucoup de chaleur. La production conventionnelle de métaux utilise la chaleur pour faire fondre ensemble des métaux individuels et des éléments d'alliage, tels que l'aluminium, le cuivre ou le magnésium, afin de créer des alliages plus légers, plus solides ou plus faciles à former. Si ces éléments ne sont pas bien mélangés, des fissures et des fractures peuvent se former pendant le traitement et compromettre les propriétés du produit final, car une pâte à gâteau mal mélangée et grumeleuse entraînera un gâteau émietté et désastreux. Dans la production de métaux, la chaleur est utilisée pour s'assurer que les éléments métalliques individuels d'un alliage sont bien mélangés au cours d'une étape appelée homogénéisation.
Pendant l'homogénéisation, de grandes pièces moulées en métal appelées billettes sont chauffées à près de 500 degrés Celsius, soit environ 900 degrés Fahrenheit, pendant 24 heures maximum. Cette étape de traitement thermique dissout les agrégats d'alliage - semblables à des grumeaux dans la pâte à gâteau - dans la billette pour garantir que tous les éléments métalliques sont uniformément répartis ou homogénéisés. Cela améliore les performances du produit final. Après homogénéisation, les tiges métalliques subissent un chauffage et un formage supplémentaires lors d'une étape appelée extrusion.
"L'homogénéisation est l'étape la plus consommatrice d'énergie dans l'ensemble du processus d'extrusion des métaux", a déclaré Scott Whalen, scientifique en chef des matériaux au PNNL et co-développeur de ShAPE.
Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE™), développé par des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory, améliore l'efficacité énergétique de la production d'alliages d'aluminium extrudés à haute performance. Crédit :Image composite par Cortland Johnson | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
La machine ShAPE élimine le besoin d'étapes d'homogénéisation et d'extrusion séparées en combinant chauffage et déformation, c'est-à-dire le changement de forme du métal lui-même. In the ShAPE machine, the metal billet is simultaneously pushed through a small opening in a die which rotates. Together, the rotational movement and deformation thoroughly mixes the metal elements as they are being extruded. Essentially, the ShAPE process homogenizes the metal billet in a few seconds, immediately before it is extruded. This eliminates the need for a day-long, pre-heating homogenization step and means that no additional energy is used to heat the billet during extrusion. Together, this results in an energy savings of up to 50 percent using ShAPE.
Have your cake and eat it too
Not only is ShAPE a more energy efficient and quicker process, but it also improves how well the individual alloying elements are mixed, leading to a better final product. Like lumpy batter can ruin a cake, the final product in extrusion manufacturing often performs better when the elements are well-mixed. Performance testing showed that components made of aluminum alloys processed with ShAPE exceeded current American Society for Testing and Materials standards for strength and elongation.
"We took a closer look using an electron microscope and saw that ShAPE breaks apart the alloy aggregates and dissolves them into the aluminum matrix prior to extrusion, making it more extrudable," said Tianhao Wang, PNNL materials scientist and lead author on the recent publication in Materials and Design . "This translates to better performance—our aluminum 7075 alloys are stronger and stretch farther before breaking."
Putting high-performance aluminum alloys in reach
Aluminum alloys are valued in the automotive and aerospace industries because they are strong and lightweight. The most high-performance aluminum alloys are time- and energy-intensive to manufacture, pricing them out of many markets, like applications in passenger vehicles. The ShAPE process removes a major hurdle in the production of high-performance aluminum alloys by dramatically reducing energy consumption and greenhouse gas emissions during manufacturing.
"This is an important step in unlocking the potential of next-generation metals manufacturing to produce better, cheaper, greener products for the future," said Whalen. Researchers introduce a speedier manufacturing process for stronger aluminum alloys
