Les dalles d'aluminium industrielles sont généralement produites en mélangeant de petites quantités de cuivre ou de manganèse dans un réservoir d'aluminium fondu qui est rapidement refroidi, un processus connu sous le nom de coulée à refroidissement direct. Des variations dans la façon dont ces éléments se solidifient peuvent donner des résultats inégaux qui affaiblissent le produit final, avec des moulages se terminant parfois sur le tas de ferraille. Le contrôle de la distribution des éléments de renforcement à l'aluminium tout au long d'une coulée est donc essentiel pour réduire les déchets et améliorer la fiabilité du produit.

Au cours des trois dernières années, Antoine Allanore, professeur adjoint de métallurgie au MIT, et son étudiant Samuel R. Wagstaff PhD '16 ont développé un nouveau procédé qui utilise un jet turbulent pour réduire de 20 % cette distribution inégale dans les structures en alliage d'aluminium. Les chercheurs ont pu identifier un seul nombre - "l'indice de macroségrégation" - qui quantifie la différence entre la composition chimique idéale et la composition chimique réelle à des points spécifiques du processus de solidification.

« Nous avons maintenant testé la technologie tout au long de la chaîne d'approvisionnement, et nous avons confirmé que l'amélioration de 20 pour cent de l'indice de macroségrégation était suffisamment bonne pour permettre une nouvelle augmentation de la productivité, " dit Allanore.

Les résultats expérimentaux et les explications théoriques de Wagstaff et Allanore sur le traitement de l'aluminium par refroidissement direct sont publiés dans une paire d'articles dans la revue Metallurgical and Transactions de matériaux B, avec une troisième publication en attente. Le travail a été réalisé en collaboration avec le transformateur mondial d'aluminium Novelis, avec toutes les expériences qui se déroulent au Novelis Solatens Technology Center à Spokane, Washington; certains aspects de la recherche ont été brevetés.

Combattre les structures déséquilibrées

La macroségrégation est la répartition inégale des éléments d'alliage au sein d'une pièce en aluminium solidifié, créer, par exemple, régions pauvres en cuivre. Ceci est le plus susceptible de se produire au centre d'un moulage, où il reste caché jusqu'à ce que le moulage soit retraité pour un autre usage tel que le laminage d'une brame épaisse en une feuille plate. Ces structures déséquilibrées peuvent se former sur une échelle de plusieurs fractions de pouce à plusieurs mètres et elles peuvent conduire à des fissures, cisaillement ou autre défaillance mécanique du matériau.

Ce problème est particulièrement important alors que l'industrie évolue vers des calendriers de production plus rapides et des séries de tôles plus importantes, par exemple, pièces pour camionnettes et ailes d'avion. L'accent mis davantage sur le recyclage de l'aluminium pose également des problèmes lorsque la composition des éléments secondaires peut être imprévisible.

"Analyser la structure, et notamment la présence de grains solides, formé lorsque l'alliage d'aluminium passe du liquide au solide est difficile car vous ne pouvez pas voir à travers l'aluminium, et le matériau est rapidement refroidi à partir de 700 degrés Celsius (1, 292 degrés Fahrenheit), et des grains de tailles différentes se déplacent à mesure que l'aluminium se solidifie à une vitesse d'environ 2 à 3 pouces par minute, dit Allanore. Le problème est typiquement un manque de l'élément d'alliage près du centre de la brame ou du lingot en cours de solidification.

"C'est une situation très perverse dans le sens où de l'extérieur la dalle pleine pourrait être très jolie, prêt à passer au prochain traitement, et ce n'est que plus tard que vous découvrez qu'il y avait ce défaut dans une section, ou dans une région, ce qui signifie essentiellement une énorme perte de productivité pour l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement, " explique Allanore.

Faire des alliages uniformes

« Dans nos expériences, nous avons fait des tests spécifiques à grande échelle pour éteindre, Donc, pour échantillonner le métal en fusion tel qu'il est coulé, et nous avons vu des grains entre 10 microns et 50 microns, et ces grains sont, selon notre évolution, les responsables de la macroségrégation, " Dit Allanore. Leur solution consiste à insérer un jet stream pour faire recirculer le liquide chaud afin que ces grains soient redistribués uniformément au lieu de s'accumuler dans une région du lingot. " C'est comme un tuyau d'eau dans une piscine, " explique-t-il. " D'un point de vue purement mécanique des fluides, le mélange est homogène. C'est juste un plein, mélange complet des éléments d'alliage et de l'aluminium."

"L'introduction du jet induit une recirculation complètement différente des grains et donc vous obtenez une microstructure différente, tout au long de la section. Ce n'est pas seulement sur les bords ou pas seulement au centre, c'est vraiment sur toute la section, " dit Allanore. Les chercheurs ont pu calculer la puissance de jet optimale nécessaire pour les alliages d'aluminium les plus courants, puis testé leurs prédictions.

"Le travail du professeur Allanore est un excellent exemple d'application de la théorie de la solidification à la solution d'un problème industriel du monde réel, " dit Merton C. Flemings, le professeur émérite Toyota de traitement des matériaux au MIT.

Imprégné de travail du métal

Sam Wagstaff, auteur principal des trois articles avec Allanore, a terminé son doctorat au MIT en septembre après seulement trois ans et travaille maintenant pour Novelis à Sierre, La Suisse. "La raison pour laquelle ce projet est un succès est, bien sûr, à cause de Sam Wagstaff, " dit Allanore. " Il a été un étudiant diplômé extraordinaire. " Wagstaff, 27, est un arrière-petit-fils de George Wagstaff, et petit-fils de William Wagstaff, dont Spokane, Lavage., l'atelier d'usinage de la région est devenu Wagstaff Inc., qui se spécialise dans les refroidisseurs utilisés pour produire des alliages d'aluminium solides à partir de liquide en fusion (mais qui n'a pas participé à cette recherche). le père de Sam Wagstaff, Robert, travaille pour Novelis, et Sam lui-même a d'abord travaillé pour Novelis à l'âge de 14 ans. Après avoir obtenu son baccalauréat en génie mécanique et aérospatial à l'Université Cornell, Novelis a offert à Wagstaff la possibilité de poursuivre un doctorat pour aider l'entreprise à résoudre le problème de la macroségrégation en développant une méthode pour mélanger l'aluminium.

"Être dans un environnement [dans lequel Novelis est] d'accord pour que je prenne le projet et en même temps que le MIT me laisse l'emmener partout où je le sentais nécessaire, ça a fini par être une expérience incroyable, " dit Wagstaff. " Je ne connais pas beaucoup d'autres entreprises ou d'endroits qui m'auraient permis de grandir autant que je l'ai fait, et pour cela je suis vraiment reconnaissant, " dit Wagstaff.

"Le problème que vous avez avec une plaque de qualité aéronautique ou aérospatiale est que vous avez des régions de macroségrégation très importantes au centre de cette plaque, donc vous avez des baisses drastiques des propriétés mécaniques au centre même, ", dit Wagstaff. "Notre recherche a commencé avec l'idée que nous voulons pouvoir arrêter la macroségrégation, " dit Wagstaff. Au lieu d'étudier de nombreuses façons différentes de mélanger l'aluminium, Wagstaff dit que lui et Allanore ont proposé de développer un critère de mélange similaire à ceux utilisés en génie chimique. Parce que les pires problèmes se produisaient au centre des lingots, avec jusqu'à 20 pour cent de variation dans la composition là-bas, qui est devenu l'objet de la recherche, il dit.

"Nous savions que nous pouvions trouver comment mélanger les choses et nous pouvions remuer les choses, mais pouvoir comparer A à B à C aurait été vraiment difficile, et c'est de là que vient l'indice de macroségrégation. C'est juste un schéma numérique que nous avons inventé pour comparer le mélange de type A au mélange de type B au mélange de type C, alors nous pouvons en quelque sorte relier tous les différents paramètres de mixage ensemble pour dire que ce genre de mixage est meilleur, " dit-il. L'indice punit les lingots en fonction de leur écart par rapport à la composition souhaitée en fonction de leur distance par rapport au centre et un indice inférieur représente une qualité supérieure.

La solution consistait à concevoir un jet qui fonctionnerait avec les machines de coulée à refroidissement direct existantes. "Nous n'avons fait que modifier la puissance du jet en fonction du diamètre à l'aide d'une pompe magnétique pour contrôler la vitesse, la puissance et la vitesse de ce jet tout au long de la coulée, " dit Wagstaff. " Ce qui est bien avec les jets, c'est qu'ils sont assez bien définis, nous comprenons comment ils se développent, comment leurs forces sont distribuées en fonction du temps, en fonction de l'espace, ils sont donc un phénomène relativement facile à étudier. Nous avons fini par coupler des aimants avec le jet et construit une pompe magnétique sans contact pour générer notre jet."

Optimisation de la puissance des jets

L'équipe a développé des formules pour calculer la vitesse et la force de la puissance du jet pour éviter le regroupement des défauts au centre pour un ensemble donné d'éléments d'alliage et de dimensions de moule. Alors que les journaux font état d'une amélioration de 20 %, Wagstaff dit avec l'optimisation de la pompe à jet, une amélioration jusqu'à 60 pour cent est possible.

De petites variations dans les grains individuels [microségrégation] peuvent parfois être guéries en réchauffant la fonte d'aluminium, mais lorsqu'une distribution inégale à grande échelle se produit avec une ligne médiane faible, il est peu pratique car il faudrait beaucoup trop de temps pour que le cuivre ou un autre élément d'alliage migre à travers le matériau.

Carolyn M. Joseph, étudiante diplômée en sciences des matériaux, du groupe d'Allanore, étudie comment ces grains qui provoquent la macroségrégation se forment dans un alliage d'aluminium composé de 4,5 pour cent de cuivre en poids. Grâce à la nouvelle technique d'agitation par jet, elle prélève des échantillons lors de la coulée à proximité de la région biphasique (slurry), dans lequel des grains de métal solide circulent dans l'aluminium liquide. Elle le fait en refroidissant rapidement le métal à divers endroits le long du lingot pendant sa formation, et elle étudie les échantillons au microscope pour les différences de taille de grain, forme, composition et diffusion. "La taille de votre structure solide, à quel point il est fin ou grossier, dépend de la vitesse à laquelle vous le refroidissez, " explique Joseph. Les images microscopiques qu'elle a faites d'échantillons montrant de grandes structures de grains sont la preuve que ces grains étaient solides dans la suspension avant qu'elle ne soit rapidement refroidie, elle dit.

« Dans le liquide, ils sont mélangés, le cuivre et l'aluminium forment une solution, mais quand on passe du liquide au solide, il y a ségrégation des éléments d'alliage, " dit Joseph. Les grains qui se forment tôt sont appauvris en cuivre et ont tendance à se regrouper au centre d'une plaque.

"L'avantage de ceci est qu'il s'agit d'un type intermédiaire d'instantané. Au lieu de regarder la section transversale finale et d'étudier sa taille de grain et sa composition, on peut le voir à un stade intermédiaire, alors que c'est un mélange semi-solide, ce qui se passe, " explique Joseph, qui prépare une maîtrise en science des matériaux. « À l'échelle macro, vous voulez une répartition uniforme du cuivre, et c'est ce que le mixage de Sam a pu réaliser, " elle dit.

Rôle dans le recyclage

Allanore pense que le processus d'aluminium agité par jet peut également jouer un rôle dans le recyclage. "Tous les produits recyclés en aluminium ne sont pas les mêmes, parce que certains d'entre eux proviennent d'un ancien avion et d'autres d'une ancienne canette de boisson, et ce sont deux alliages différents, " dit-il. " Ainsi, lorsqu'il s'agit de la société capable de recycler et de fabriquer de nouveaux produits en aluminium de haute qualité, nous pouvons clairement voir qu'il y a une question de comment allons-nous traiter ces éléments d'alliage. Le travail que nous avons fait, Je crois, est un exemple de la façon dont nous pouvons modifier les technologies existantes afin qu'elles soient plus prêtes à avoir plus de matériaux recyclés sans compromettre à la fin la qualité du produit que vous fabriquez."

"En faisant la quantité appropriée de travail théorique et de travail expérimental et en travaillant en collaboration, main dans la main avec l'industrie, nous pouvons trouver ce type de solutions qui permettent une productivité plus élevée, plus de matériaux recyclés ce qui signifie moins d'énergie et moins d'impact environnemental, quelque chose de très excitant, " dit Allanore.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.