Des chercheurs introduisent un processus de fabrication plus rapide pour des alliages d’aluminium plus résistants

Une fabrication plus rapide pour des alliages d'aluminium plus solides

Le scientifique des matériaux Mageshwari Komarasamy détient un faisceau de tubes fabriqués à partir d’un alliage d’aluminium avancé à l’aide du procédé ShAPE. Crédit : Scott Taysom | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

Lorsque Ford a commencé à construire le F-150 avec des carrosseries principalement en aluminium en 2014, le camion populaire a perdu environ 700 livres. Ce changement a été conçu pour améliorer la consommation d’essence et économiser de l’argent à la pompe à carburant. Encore plus de poids pourrait être économisé en utilisant des alliages d’aluminium avancés pour des composants tels que des rails de toit, des traverses, des sous-châssis et d’autres pièces structurelles. Mais cela ne s’est pas produit car ces alliages sont chers, en partie à cause de leurs faibles taux de fabrication utilisant l’extrusion conventionnelle.

Cependant, ces alliages de haute technologie viennent d’afficher un record personnel, en utilisant une nouvelle approche de l’extrusion qui améliore considérablement leur vitesse de fabrication. Le traitement et l’extrusion assistés par cisaillement, ou ShAPE, utilisent beaucoup moins d’énergie et peuvent fournir un produit à plus de 10 fois le taux d’extrusion conventionnel, sans sacrifier la qualité. Non seulement cela, il peut également améliorer les propriétés mécaniques de l’alliage d’aluminium, connu sous le nom d’alliage 7075.

L’alliage 7075 a un rapport résistance/poids supérieur de 85 % à celui des alliages trouvés dans les véhicules de tourisme typiques ; cependant, ses coûts de fabrication sont environ 30 pour cent plus chers par rapport aux alliages de la “série 6000” qui sont couramment utilisés.

“Cette différence de prix est acceptable dans les applications aérospatiales, où des matériaux plus légers l’emportent sur des coûts plus élevés afin d’obtenir un meilleur rendement énergétique, une maniabilité améliorée et des coûts de lancement inférieurs”, a déclaré Scott Whalen, un scientifique des matériaux qui a aidé à développer ShAPE au Pacific Northwest National Laboratory. (PNNL). “Mais dans les véhicules, c’est un facteur limitant que nous espérons changer.”

Un besoin de vitesse

Ce coût élevé est principalement dû au fait que l’alliage 7075 est notoirement difficile à extruder en composants structurels. En fait, le 7075 est largement considéré comme le plus difficile à extruder de tous les alliages d’aluminium commerciaux.

L’extrusion conventionnelle du 7075 est lente et implique l’enfoncement laborieux du métal solide à travers une matrice. La vitesse d’extrusion lente de seulement 1 à 2 mètres (3 à 6 pieds) par minute, combinée à des besoins énergétiques plus élevés, rend le 7075 plus cher que les alliages d’aluminium de la série 6000, qui sont extrudés à plus de 20 mètres (65 pieds) par minute .

ShAPE est un procédé d’extrusion à haute efficacité énergétique qui permet d’obtenir des produits de meilleure qualité, et une étude récente a démontré qu’il peut également extruder des alliages d’aluminium à haute résistance beaucoup plus rapidement. Les résultats de la recherche ont été publiés dans le numéro de novembre du Journal des processus de fabrication.

“Des tests approfondis montrent que le processus du PNNL peut augmenter la vitesse d’environ 10 fois celle de l’extrusion conventionnelle pour cet alliage, en utilisant environ la moitié de l’énergie”, a déclaré Whalen, qui est l’auteur correspondant. “Notre processus peut extruder environ 12 mètres par minute sans déchirure ni fissuration, alors que l’extrusion conventionnelle est limitée à environ 1 à 2 mètres par minute – et notre processus améliore même certaines propriétés du matériau.”

ShAPE peut extruder des tubes, des fils et des barres avec des propriétés de résistance conformes aux normes industrielles importantes de l’ASTM et aux valeurs typiques de l’ASM. L’allongement de l’alliage 7075 – jusqu’où il s’étire avant de se casser – est 50 % plus élevé que celui de l’extrusion conventionnelle, ce qui peut aider à absorber l’énergie lors d’un accident. Le processus breveté ShAPE ajoute un mouvement de rotation à l’extrusion linéaire conventionnelle et crée suffisamment de chaleur pour réchauffer le métal, le faisant couler et se déformer lorsqu’il est poussé à travers une matrice pour créer des formes de produits.

Les chercheurs affirment que la capacité d’extrusion à une température plus basse est l’une des raisons pour lesquelles ShAPE est capable d’atteindre des taux de production pour l’alliage 7075 qui déchireraient le matériau lors d’une extrusion conventionnelle.

Remodeler la consommation d’énergie dans la fabrication

En plus d’augmenter la vitesse, le procédé ShAPE peut également éliminer le besoin d’étapes de traitement thermique énergivores qui sont nécessaires dans l’extrusion conventionnelle, économisant environ 50 pour cent de l’énergie requise pour l’extrusion de l’alliage 7075. Avec l’extrusion conventionnelle, les grosses billettes de le métal doit d’abord être traité thermiquement à des températures supérieures à 400 °C (750 °F) pendant environ une journée pour homogénéiser ou répartir uniformément les différents éléments comme le magnésium et le cuivre dans tout l’alliage. ShAPE est capable d’extruder des billettes sans homogénéisation, ce qui permet d’économiser environ 5 % sur le coût total des produits extrudés ShAPE.

De plus, dans l’extrusion conventionnelle, un préchauffage dans un four est nécessaire pour ramollir la billette avant l’extrusion. Avec ShAPE, le préchauffage n’est pas nécessaire, car toute la chaleur nécessaire provient du processus lui-même. D’autres traitements thermiques post-extrusion sont également éliminés ou réduits, ce qui permet de réaliser des économies d’énergie globales de 50 %.

La vitesse d’extrusion accrue de ShAPE, combinée à une consommation d’énergie réduite, et donc à des émissions de carbone plus faibles, peut rendre l’alliage léger 7075 rentable pour le marché des véhicules de tourisme. Les véhicules plus légers contribuent également à la réduction des émissions de carbone pour le secteur des transports grâce à une efficacité énergétique accrue pour les voitures propulsées par des moteurs à combustion interne et à des distances de conduite plus longues par charge pour les voitures électriques.


Un nouveau procédé de fabrication des alliages d’aluminium


Plus d’information:
Scott Whalen et al, Fabrication à grande vitesse de tubes en alliage d’aluminium 7075 par Shear Assisted Processing and Extrusion (ShaPE), Journal des processus de fabrication (2021). DOI : 10.1016/j.jmapro.2021.10.003

Fourni par Pacific Northwest National Laboratory

Citation: Des chercheurs introduisent un processus de fabrication plus rapide pour les alliages d’aluminium plus résistants (2021, 26 octobre) récupéré le 26 octobre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-10-speedier-stronger-aluminium-alloys.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.