Un processus de fabrication avancé pour produire des tiges et des tubes nanostructurés directement à partir de poudre d'alliage d'aluminium haute performance - en une seule étape - a récemment été démontré par des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory.

En utilisant une nouvelle approche de traitement en phase solide, l'équipe de recherche a éliminé plusieurs étapes nécessaires au cours du traitement d'extrusion conventionnel des poudres d'alliage d'aluminium, tout en obtenant également une augmentation significative de la ductilité du produit (jusqu'où un matériau peut s'étirer avant de se casser).

C'est une bonne nouvelle pour des secteurs tels que l'industrie automobile, où le coût élevé de fabrication a historiquement limité l'utilisation d'alliages d'aluminium à haute résistance fabriqués à partir de poudres.

Les recherches de l'équipe sont décrites dans l'article "Alliage d'aluminium à haute ductilité fabriqué à partir de poudre par extrusion par friction, " publié dans le numéro de juin 2019 de matérialisme .

S'éloigner de l'extrusion conventionnelle

Les alliages d'aluminium haute performance fabriqués à partir de poudre sont utilisés depuis longtemps dans des composants légers pour des applications aérospatiales spécialisées, où le coût n'est pas un facteur limitant. Cependant, ces alliages étaient généralement trop chers pour l'industrie automobile.

Un processus d'extrusion typique pour les poudres d'alliage d'aluminium est gourmand en énergie et en processus, nécessitant plusieurs étapes pour produire en masse le matériau. D'abord, la poudre libre doit être chargée dans un bidon et les gaz évacués sous vide, ce qu'on appelle le "dégazage". La boîte est ensuite scellée, pressé à chaud, préchauffé, et placé dans la presse à extrusion. Après extrusion, le bidon est retiré, ou "décanisé, " pour révéler la partie extrudée en poudre consolidée.

Dans cette étude, l'équipe a éliminé bon nombre de ces étapes, extruder des tiges d'aluminium nanostructurées directement à partir de poudre en une seule étape, en utilisant la technologie de traitement et d'extrusion assistée par cisaillement de PNNL, ou FORME.

L'extrusion d'alliages d'aluminium directement à partir de poudre élimine la mise en conserve, dégazage, pressage isostatique à chaud, mise en conserve, et préchauffage des billettes

Dans le processus ShAPE, une poudre - dans ce cas, une poudre d'alliage d'aluminium Al-12.4TM fournie par SCM Metal Products, Inc., une division de Kymera International—est versé dans un récipient ouvert. Une filière d'extrusion rotative est ensuite forcée dans la poudre, qui génère de la chaleur à l'interface entre la poudre et la filière. Le matériau se ramollit et s'extrude facilement, éliminant le besoin de mise en conserve, dégazage, pressage à chaud, préchauffage, et décantation.

"Il s'agit du premier exemple publié d'une poudre d'alliage d'aluminium consolidée en extrusions nanostructurées à l'aide d'un processus en une seule étape comme ShAPE, " a déclaré Scott Whalen, scientifique des matériaux du PNNL, qui a dirigé l'étude.

Il ajouta, « L'élimination à la fois des étapes de traitement et du besoin de préchauffage pourrait réduire considérablement le temps de production ainsi que le coût et l'énergie globale intégrée dans le produit, ce qui pourrait être bénéfique pour les constructeurs automobiles qui souhaitent rendre les véhicules de tourisme plus abordables, briquet, et économe en carburant pour le consommateur.

En plus de fournir la poudre Al-12.4TM, Produits de métaux SCM, Inc. a effectué des tests mécaniques pour valider les performances du matériau résultant. Produits Métalliques PNNL et SCM, Inc. collabore maintenant à un projet pour le bureau des transitions technologiques du DOE afin d'étendre le processus pour les extrusions de plus grand diamètre.

Ductilité - C'est un étirement

L'élimination des étapes de traitement et la réduction du chauffage n'ont pas été les seuls résultats positifs de l'équipe.

Alors que les alliages d'aluminium haute performance ont historiquement montré une excellente résistance, ils ont généralement été entravés par une mauvaise ductilité. Cependant, l'équipe a trouvé des améliorations spectaculaires dans la ductilité de l'extrusion produite par ShAPE, mesurer une ductilité deux à trois fois supérieure à celle trouvée dans les produits d'extrusion conventionnels, et avec une force équivalente.

Pour comprendre la raison de l'augmentation substantielle de la ductilité, La microscopie électronique à transmission a été utilisée pour évaluer les microstructures de la poudre et des matériaux extrudés. Les résultats ont indiqué que la méthode ShAPE a affiné les deuxièmes phases de la poudre - de minuscules particules de renforcement de matériaux non aluminium. ShAPE réduit les particules à des tailles nanométriques et les répartit uniformément dans toute la matrice en aluminium, augmentation de la ductilité.