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 la fabrication avancée du ministère de l’Énergie, les chercheurs ont déterminé que le Traitement et extrusion assistés par cisaillement (ShAPE) La technologie 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 haute performance 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.
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. Dans la machine ShAPE, la billette métallique est simultanément poussée à travers une petite ouverture dans une matrice qui tourne. Ensemble, le mouvement de rotation et la déformation mélangent soigneusement les éléments métalliques au fur et à mesure de leur extrusion. Essentiellement, le procédé ShAPE homogénéise la billette métallique en quelques secondes, juste avant son extrusion. Cela élimine le besoin d’une étape d’homogénéisation de préchauffage d’une journée et signifie qu’aucune énergie supplémentaire n’est utilisée pour chauffer la billette pendant l’extrusion. Ensemble, cela se traduit par des économies d’énergie allant jusqu’à 50 % en utilisant ShAPE.
Prends ton gâteau et mange-le aussi
Non seulement ShAPE est-il plus économe en énergie et processus plus rapide, mais cela améliore également la qualité du mélange des éléments d’alliage individuels, ce qui conduit à un meilleur produit final. Comme une pâte grumeleuse peut ruiner un gâteau, le produit final de la fabrication par extrusion fonctionne souvent mieux lorsque les éléments sont bien mélangés. Les tests de performance ont montré que les composants en alliages d’aluminium traités avec ShAPE dépassaient les normes actuelles de l’American Society for Testing and Materials en matière de résistance et d’allongement.
« Nous avons examiné de plus près à l’aide d’un microscope électronique et avons vu que ShAPE brise les agrégats d’alliage et les dissout dans la matrice d’aluminium avant l’extrusion, ce qui la rend plus extrudable », a déclaré Tianhao Wang, scientifique des matériaux PNNL et auteur principal de la récente publication. dans Matériaux et conception. « Cela se traduit par de meilleures performances – nos alliages d’aluminium 7075 sont plus solides et s’étirent davantage avant de casser. »
Mettre les alliages d’aluminium hautes performances à portée de main
Les alliages d’aluminium sont appréciés dans les industries automobile et aérospatiale car ils sont solides et légers. La fabrication des alliages d’aluminium les plus performants demande beaucoup de temps et d’énergie, ce qui les place hors de nombreux marchés, comme les applications dans les véhicules de tourisme. Le procédé ShAPE supprime un obstacle majeur dans la production d’alliages d’aluminium haute performance en réduisant considérablement la consommation d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre lors de la fabrication.
« Il s’agit d’une étape importante pour libérer le potentiel de la fabrication de métaux de nouvelle génération afin de produire des produits meilleurs, moins chers et plus écologiques pour l’avenir », a déclaré Whalen.
Tianhao Wang et al, Extrusion de pièces moulées non homogénéisées d’aluminium 7075 via ShAPE, Matériaux et conception (2021). DOI : 10.1016/j.matdes.2021.110374
Sertac Akar et al, Analyse technico-économique pour le traitement et l’extrusion assistés par cisaillement (ShAPE) d’alliages d’aluminium à haute résistance, (2022). DOI : 10.2172/1846614