Le 18 avril, lors du AICE 2025 SMM (20e) Congrès de l'industrie de l'aluminium et Exposition de l'industrie de l'aluminium - Forum sur l'extrusion industrielle de l'aluminium, organisé par SMM Information & Technology Co., Ltd. (SMM), SMM Metal Trading Center et Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., et co-organisé par Zhongyifeng Jinyi (Suzhou) Technology Co., Ltd. et Lezhi County Qianrun Investment Promotion Service Co., Ltd., le professeur et directeur de thèse GENG Lin de l'École des sciences des matériaux et du génie de l'Institut de technologie de Harbin a présenté l'état actuel de la préparation, du traitement et de l'application des composites à matrice d'aluminium.
Contexte de recherche des composites à matrice d'aluminium
Demande nationale importante pour les composites à matrice métallique
Aérospatiale : Grands avions, hélicoptères lourds, drones, avions embarqués, véhicules hypersoniques, véhicules proches de l'espace et avions de transport stratégique.
Espace : Lanceurs lourds, missions lunaires habitées, bases lunaires, échantillonnage martien, exploration de petits corps célestes, exploration du système de Jupiter et satellites.
Autres domaines : Robotique, transport ferroviaire, véhicules électriques à énergie nouvelle (VEEN), équipements d'exploration en haute mer/profondeur terrestre/polaire, électronique 3C, etc.
Les composites à matrice métallique ont franchi la première étape vers des applications d'ingénierie à grande échelle dans les domaines de l'aérospatiale, de la défense, de l'électronique, des engins de chantier et autres en Chine, devenant l'une des matières premières de base irremplaçables pour les grands projets nationaux.
Il a présenté l'historique du développement des composites à matrice d'aluminium et souligné que la Chine se classe parmi les premiers pays au monde en termes de nombre total d'articles et de nombre d'articles très cités sur les composites à matrice d'aluminium.
►État actuel de la R&D sur les composites à matrice d'aluminium en Chine : Principalement concentré dans les domaines de la fabrication de haut de gamme tels que l'aérospatiale et la défense.
Les composites à matrice d'aluminium ont été largement utilisés dans les domaines de la fabrication de haut de gamme tels que l'aérospatiale et la défense, répondant aux demandes de production en petites séries, à multiples variétés et sur mesure.
►L'un des problèmes de goulot d'étranglement dans une large application : Le problème d'inversion de la résistance-ductilité, où la rigidité et la résistance augmentent tandis que la plasticité diminue.
La conception de renforcement et de ténacisation des composites à base de configurations inspirées de la nature est devenue la principale tendance dans le développement des composites à matrice d'aluminium ces dernières années.
En ce qui concerne la technologie de préparation, les facteurs influençant les systèmes composites sont complexes : il faut sélectionner des technologies de préparation de haute qualité adaptées à différents systèmes composites afin de répondre aux exigences des applications complexes à couplage multi-champs.
En ce qui concerne la technologie de formage et de traitement, le mécanisme d'évolution de la microstructure pendant le processus de formage est complexe : il faut développer des technologies de formage et de traitement adaptées afin de répondre aux exigences de contrôle précis de la forme et des propriétés des composants complexes à parois minces.
Technologie de préparation des composites à matrice d'aluminium
La préparation des composites à matrice d'aluminium à renfort discontinu implique divers processus complexes. Le développement de technologies de préparation adaptées est la clé pour obtenir des composites à hautes performances.
II. Technologie de préparation des composites à matrice d'aluminium - Méthode en phase solide (Poudrométallurgie)
La méthode en phase solide fait référence au processus de préparation de composites à matrice métallique avec la matrice à l'état solide.
Avantages : température de préparation plus basse, réactions interfaciales facilement contrôlables, microstructure fine et performances élevées des composites.
Elle fournit des analyses de cas pertinents, notamment des composites à matrice d'aluminium renforcés par des particules céramiques à configuration uniforme basées sur des procédés traditionnels de broyage à billes, des composites CNT/Al à configuration en briques et mortier basés sur la poudrométallurgie en flocons, des composites à matrice d'aluminium multimodaux basés sur un broyage à billes en plusieurs étapes et des composites à matrice d'aluminium renforcés par des matériaux à changement de phase.
II. Technologie de préparation des composites à matrice d'aluminium - Méthode en phase solide (Frittage isostatique à chaud)
Le frittage isostatique à chaud consiste à placer le produit dans un récipient hermétique, à lui appliquer une pression isostrope tout en lui appliquant simultanément une température élevée. Sous l'effet combiné de la température et de la pression élevées, le produit subit un frittage et une densification.
La plupart des presses isostatiques à chaud à l'échelle industrielle ont une température de fonctionnement maximale d'environ 1400 °C, avec des pressions maximales allant de 100 à 200 MPa. Le tonnage total de la plus grande presse isostatique à chaud moderne est d'environ 400 000 kN (40 000 tonnes-force).
Exemple : Lors de la préparation par pressage isostatique à chaud de composites SiCp/Al à forte fraction volumique, l'alliage d'aluminium de la matrice se trouve dans une région diphasique solide-liquide, ce qui facilite la densification du composite dans des conditions de haute température et de haute pression.
II. Technologie de préparation des composites à matrice d'aluminium - Méthode en phase liquide (moulage par pression)
Préparation de la préforme : Préparation de préformes uniformément poreuses par sédimentation physique ; préparation de préformes à configuration biomimétique à l'aide de méthodes telles que le moulage par congélation et l'impression 3D.
Préparation du composite : Infiltration de l'aluminium fondu dans les pores de la préforme par pressurisation mécanique afin de réaliser la préparation de composites à hautes performances.
Il aborde des cas pertinents, notamment les composites à matrice d'aluminium renforcés par des particules à configuration uniforme, les composites à matrice d'aluminium renforcés par des trichites à configuration uniforme et les composites à matrice d'aluminium à configuration biomimétique.
II. Technologie de préparation des composites à matrice d'aluminium - Méthode en phase liquide (infiltration sous pression sous vide)
L'infiltration sous pression sous vide est similaire au moulage par pression. Elle consiste principalement à préparer d'abord des préformes poreuses en céramique, puis à combiner un environnement sous vide et des conditions de pressurisation par pression de gaz pour permettre à l'alliage d'aluminium fondu de remplir les micropores de la préforme et de se solidifier, préparant ainsi des composites à matrice d'aluminium.
Il présente des cas pertinents de composites à matrice d'aluminium renforcés par des particules à faible dilatation et à forte fraction volumique, ainsi que de composites à matrice d'aluminium à configuration biomimétique.
II. Technologie de préparation des composites à matrice d'aluminium - Méthode en phase liquide (moulage par agitation)
Principe de base : Ajout direct de particules dans le mélange semi-solide du métal de la matrice afin d'augmenter la contrainte de cisaillement pendant l'agitation, permettant une dispersion uniforme des particules dans le mélange métallique. Ensuite, chauffage rapide jusqu'à l'état liquide pour améliorer la fluidité de coulée, et enfin coulée en lingots, pièces moulées, etc.
Technologies clés : Amélioration de la mouillabilité entre le mélange et la phase de renfort, dispersion uniforme de la phase de renfort, et contrôle de l'oxydation et de l'absorption de gaz dans le mélange métallique.
Avantages technologiques : Adapté à la production à l'échelle industrielle ; procédé simple et faibles coûts de fabrication.
Capacité de préparation : L'échelle de production de la coulée sous agitation varie généralement de quelques kilogrammes en laboratoire à plusieurs dizaines de tonnes en production industrielle.
Il détaille des cas tels que la technologie de préparation par coulée sous agitation pour les composites à matrice d'aluminium renforcés par des particules de SiC, les composites à matrice d'aluminium renforcés par des particules de graphite et les composites à matrice d'aluminium renforcés in-situ par TiB₂.
La méthode des sels fluorés implique principalement la réaction de deux sels, générant des sous-produits de sels fluorés ; la méthode de l'alliage maître ne produit pas de sous-produits mais impose des exigences élevées pour les matières premières ; le lingot de coulée de composite à particules de TiB₂ généré par réaction in-situ peut actuellement atteindre un maximum de 11 tonnes, fournissant des lingots pour le traitement plastique ultérieur afin de préparer de grands composants.
Les particules de TiB₂ présentent une distribution en réseau. Leur taille peut être contrôlée dans la plage nanométrique à submicrométrique, avec des formes de particules régulières et aucune agglomération significative ; les particules de TiB₂ générées par réaction in-situ ont une bonne liaison interfaciale avec la matrice d'aluminium et sont en relation cohérente, ce qui en fait des particules céramiques de renfort idéales.
Les particules de TiB₂ sont d'excellents affineurs de grains. Dans le métal en fusion, les particules de TiB₂ agissent comme noyaux pour la nucléation hétérogène, fournissant plus de sites de nucléation pendant la cristallisation du métal, aboutissant finalement à des grains plus fins et plus uniformes ; un grand nombre d'enchevêtrements de dislocations existent près des particules de TiB₂ en tant que particules de seconde phase, entravant efficacement le mouvement des dislocations pendant la déformation, renforçant ainsi la résistance du matériau.
Comparé à l'alliage de base, la résistance ultime HCF des composites à matrice d'aluminium renforcés par des particules de TiB₂ est augmentée de 22 % à 44 %, atteignant jusqu'à 730 MPa ; les fines particules de TiB₂ peuvent inhiber l'amorçage de fissures de fatigue, évitant la tendance à l'amorçage prématuré de fissures de fatigue dû au décollement particule-interface et à la fracture des particules.
Technologie de préparation des composites à matrice d'aluminium - Méthode de fabrication additive
Basée sur la technologie de fabrication additive, elle permet le formage à la forme nette de composants métalliques structurels complexes avec une intégration matériau-structure, fournissant une nouvelle approche technologique pour la conception et la fabrication de composants haute performance dans l'aérospatiale, principalement divisée en fabrication additive laser, fabrication additive par arc, fabrication par friction-malaxage, etc.
Technologie de préparation des composites à matrice d'aluminium - Méthode de fabrication additive (fabrication additive laser)
Sous l'action d'un faisceau laser, la poudre métallique est fondue et solidifiée rapidement pour former une nouvelle couche de matériau. Ce processus est réalisé couche par couche jusqu'à la construction d'un objet tridimensionnel complet. Sur la base des particules de renfort spécifiées et de la matrice d'Al déjà ajoutées, un raffinement de grain induit peut être obtenu. Le faible désaccord interatomique entre la matrice α-Al et le TiB₂ entraîne une diminution de la surfusion critique de germination ΔT, ce qui peut réparer la formation de fissures dans les alliages enclins à fissurer pendant le processus L-PBF.
L'ajout de particules dures de deuxième phase peut raffiner significativement la microstructure, entraînant une résistance à la limite élastique plus élevée due au renforcement des joints de grains, comme cela a été vérifié dans les alliages AlSi10Mg renforcés par TiB₂ et les alliages Al2024 renforcés par TiC/TiH₂. En plus du renforcement des joints de grains, la résistance à la limite élastique de l'alliage L-PBF TiB₂/AlSi10Mg est augmentée à environ 362-407 MPa en raison de la résistance accrue au mouvement des dislocations causée par les particules dures.
II. Technologies de fabrication des composites à matrice d'aluminium - Fabrication additive (par friction malaxage)
La fabrication additive par friction malaxage (FSAM) implique une déformation plastique locale des matériaux métalliques à l'aide d'un outil de malaxage rotatif à grande vitesse, suivie d'une accumulation couche par couche sous pression pour réaliser la fabrication de structures métalliques très denses. Les avantages de la FSAM comprennent un traitement à basse température, des économies d'énergie et la protection de l'environnement, une applicabilité aux matériaux difficiles à souder et de faibles contraintes résiduelles. Elle est principalement utilisée pour le composite de matériaux dissimilaires et la réparation de composants de grande valeur, adaptée à la mise en forme efficace à grande échelle de matériaux tels que les alliages d'aluminium et les alliages de magnésium.
L'interface NiTip/Al préparée par fabrication additive par friction malaxage présente une bonne liaison sans formation de produits de réaction nocifs. L'ajout de NiTip forme une microstructure à grains fins avec une bonne dispersion, accélérant la récupération dynamique en augmentant la déformation de la matrice et favorisant la recristallisation dynamique par germination stimulée par les particules.La microstructure fine et granulaire unique, la dispersion uniforme des NiTip et l'interface NiTip/Al bien liée améliorent considérablement la résistance sans nuire à la ductilité.
II. Technologies de fabrication des composites à matrice d'aluminium - Fabrication additive (additive par arc)
La fabrication additive par arc est une technologie d'impression 3D par déposition dirigée d'énergie (DED) basée sur les principes du soudage à l'arc, qui consiste à construire des pièces en déposant des matériaux métalliques couche par couche.
La taille des grains de l'alliage TiN/Al-Zn-Mg-Cu est raffinée de 459,3 μm à 104,6 μm, ce qui est attribué à la formation de particules Al₃Ti agissant comme agents de nucléation, ce qui entraîne une augmentation de la résistance à la traction dans les directions horizontale et verticale. Dans la direction horizontale, la résistance à la traction passe de 207 MPa à 284 MPa.
Formage et traitement des composites à matrice d'aluminium
III. Formage et traitement des composites à matrice d'aluminium - Extrusion à chaud
L'extrusion à chaud permet la production de profilés à section transversale complexe, avec seulement des contraintes de compression et de cisaillement appliquées pendant le processus de formage, ce qui entraîne une bonne finition de surface des pièces produites. La simulation par ordinateur peut aider les ingénieurs de processus à comprendre les schémas d'écoulement du métal pendant l'extrusion de profilés, à prévoir les défauts à l'avance, à optimiser la conception des matrices et à améliorer la qualité des profilés.
III. Formage et traitement des composites à matrice d'aluminium - Forgeage
Sur la base de la simulation du comportement d'écoulement du matériau, les défauts de déformation potentiels peuvent être prévus, fournissant une base théorique pour formuler des mesures de processus visant à prévenir la formation de fissures. En établissant une carte de travail à chaud basée sur le modèle de matériau dynamique, les conditions de traitement optimales pour le matériau peuvent être prévues avec précision.
Un modèle de couplage thermomécanique multi-échelle pour les composites a été établi afin de simuler le processus de déformation et la microstructure. Par conséquent, des pièces forgées SiC/Al dont les diamètres vont de 1760 à 2500 mm ont été développées avec succès en une seule tentative.
Des simulations numériques du processus de forgeage isotherme pour les aubes/carters ont été réalisées à l'aide d'un logiciel d'éléments finis afin d'obtenir des données de distribution des contraintes et de charge. Des paramètres de processus de forgeage raisonnables ont ensuite été formulés, aboutissant finalement à des pièces forgées avec une microstructure et des propriétés idéales.
En combinant la simulation par éléments finis avec des expériences de compression à chaud, l'influence des paramètres du processus de déformation sur le champ de dommages, le champ de contrainte-déformation et le champ de température pendant le processus de forgeage des composites SiCp/Al a été étudiée.
Le problème de fissuration des ébauches de forgeage de composites hétérogènes et difficiles à déformer a été résolu en combinant le forgeage par refoulement avec un fourreau et des processus de forgeage bidirectionnel. De grands pièces forgées annulaires en composites à matrice d'aluminium ont été produites avec succès à l'échelle d'essai en utilisant le forgeage isotherme de précision avec un outillage, avec une excellente qualité de formage et une forme et des dimensions nettement améliorées.
Formage et traitement des composites à matrice d'aluminium - Laminage
En simulant la distribution des contraintes résiduelles pendant le processus de laminage, les paramètres du processus de laminage peuvent être optimisés pour réduire la génération de contraintes résiduelles, améliorant ainsi la qualité et la précision des produits laminés. Pendant le processus de laminage, il existe un mécanisme de fragmentation et de transformation de phase de petite taille, ainsi qu'un mécanisme de raffinement où les phases de grande taille sont décomposées en plus petites.
Après laminage, le matériau forme une microstructure fibreuse avec des grains alignés dans la direction de laminage, résultant en une structure granulaire allongée. Le laminage peut être divisé en laminage à froid et laminage à chaud. Le laminage à froid augmente considérablement la résistance et la dureté en raison des effets d'écrouissage, mais réduit la plasticité. Le laminage à chaud aboutit à une microstructure plus uniforme avec des contraintes internes plus faibles, mais une résistance plus faible.
En optimisant les paramètres de laminage et les itinéraires de processus, des profilés adaptés aux applications automobiles ou aérospatiales peuvent être préparés.
III. Formage et traitement des composites à matrice d'aluminium - Soudage
Sur un substrat en alliage d'aluminium A356, un composite à structure graduelle peut être fabriqué en utilisant une couche de brasage en composite SiCp/Al avec des teneurs variables. La zone de soudure est exempte de défauts, continue et sans fissures ni pores, avec une bonne liaison à l'interface de la structure graduelle.
III. Formage et traitement des composites à matrice d'aluminium - Usinage
Composites à matrice d'aluminium renforcés par particules : Les principaux paramètres affectant le processus de meulage comprennent la vitesse de la meule (vs), la vitesse de la table (vw), la profondeur de meulage (ap) et l'épaisseur maximale de copeau non déformé (hmax).Parmi ces méthodes, le meulage à des vitesses élevées de la meule (vs) aboutit à des composites présentant une meilleure qualité de surface et des zones de dépôt plus ductiles.
La réduction de l'épaisseur de copeau non déformée (hmax) diminue le nombre de grains abrasifs efficaces participant au meulage, ce qui permet de contrôler la taille des pores à la surface du composite et l'épaisseur de la couche endommagée, ce qui est bénéfique pour réduire la formation de microfissures et de pores sous la surface.
Les principaux paramètres affectant le processus de tournage comprennent la vitesse de rotation de la broche (n), l'avance (f), le rayon de nez (r0), la profondeur de coupe, etc. Une vitesse de rotation de la broche et une avance faibles sont propices à réduire la concentration de contraintes dans les composites, minimisant ainsi l'affaissement, l'arrachement et la formation de piqûres des SiCp.
Composites à matrice d'aluminium renforcés par des whiskers : La phase de renfort est constituée de whiskers présentant un grand rapport de forme, ce qui entraîne une anisotropie et rend le processus d'usinage plus complexe.
Applications des composites à matrice d'aluminium
IV. Applications des composites à matrice d'aluminium - À l'étranger
Il présente les applications à l'étranger des composites à matrice d'aluminium et souligne que le développement des composites à matrice d'aluminium discontinus à l'étranger est motivé par la demande et l'innovation technologique, intégrant étroitement l'optimisation des procédés de préparation avec les exigences multidomaines.
Aérospatial : Le développement de composites à matrice d'aluminium légers, à haute résistance et à haut module a permis de fabriquer des avions et des satellites légers, flexibles et performants dans l'industrie aérospatiale moderne.
Armements : Les composites à matrice d'aluminium renforcés de manière discontinue présentent des caractéristiques telles que la légèreté, la haute résistance, la résistance aux hautes températures et la résistance aux chocs dans le domaine des armements, améliorant considérablement la mobilité des équipements, la survivabilité sur le champ de bataille et la durée de vie.
Électronique 3C : Les composites à matrice d'aluminium, en particulier les composites à matrice d'aluminium renforcés par du SiC, conviennent à la fabrication de doublures d'appareils électroniques, de dissipateurs thermiques et d'autres composants électroniques en raison de leurs avantages tels qu'un faible coefficient de dilatation thermique, une faible densité et une bonne conductivité thermique.
