Des scientifiques de l’Université de Birmingham ont décrit comment les cristaux microscopiques se développent et changent de forme dans les métaux en fusion à mesure qu’ils refroidissent, dans le cadre d’une recherche qui ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche sur les alliages et ouvre la voie à l’amélioration de la résistance à la traction des alliages utilisés dans le moulage et le soudage.
Leurs recherches, publiées aujourd’hui dans Acta Materialia, a utilisé la tomographie à rayons X synchrotron à grande vitesse pour « photographier » les structures cristallines changeantes dans les alliages fondus au fur et à mesure qu’ils refroidissent.
L’étude montre que lorsque l’alliage aluminium-cuivre refroidit, le processus de solidification commence par la formation de dendrites à facettes, qui sont formées par un empilement couche par couche d’unités de base qui ne mesurent que quelques micromètres. Ces unités commencent en forme de L et s’empilent les unes sur les autres comme des blocs de construction, mais en refroidissant, elles changent de forme et se transforment en forme de U et enfin en cube évidé, tandis que certaines d’entre elles s’empilent pour former de belles dendrites.
L’étude a été dirigée par le Dr Biao Cai, de l’École de métallurgie et des matériaux de l’Université de Birmingham, dont les recherches ont déjà démontré comment les champs magnétiques influencent la croissance des cristaux.
Le Dr Cai a commenté : « Les résultats de cette nouvelle étude fournissent un véritable aperçu de ce qui se passe au niveau micro lorsqu’un alliage refroidit et montrent la forme des éléments constitutifs de base des cristaux dans les alliages fondus. La forme du cristal détermine la résistance de la alliage final, et si nous pouvons fabriquer des alliages avec des cristaux plus fins, nous pouvons fabriquer des alliages plus solides. »
Il a ajouté: « Les résultats sont en contraste direct avec la vision classique de la formation de dendrites dans les alliages de refroidissement et ouvrent la porte au développement de nouvelles approches capables de prédire et de contrôler la formation de cristaux intermétalliques. »
Les recherches antérieures du Dr Cai ont abouti à une nouvelle technologie pour améliorer la qualité de l’aluminium recyclé en éliminant le fer de l’alliage fondu dans un processus simple et peu coûteux qui utilise des aimants et un gradient de température.
La technologie fait l’objet d’une demande de brevet déposée par University of Birmingham Enterprise. Il a également attiré des financements du Midlands Innovation Commercialization of Research Accelerator et du EPSRC-Impact Acceleration Account, qui a permis à Biao de construire un prototype à grande échelle qui fonctionne jusqu’à 1000 C et utilise un aimant de 1 Tesla.
Le prototype est actuellement testé à l’aide de lingots fournis par le groupe métallurgique Tandom, qui exploite une opération commerciale internationale depuis sa base de Congleton, dans le Cheshire, où ils produisent des alliages d’aluminium, des alliages maîtres et recyclent des produits en aluminium, des déchets et des scories.
Le Dr Cai prévoit de publier les résultats des tests et de présenter le démonstrateur à l’industrie avant la fin de l’année, dans le but de trouver des collaborateurs industriels prêts à effectuer des tests dans des installations de fonderie en combinaison avec des lignes de production existantes.
Zihan Song et al, Révélant les mécanismes de croissance des composés intermétalliques facettés Al2Cu via la tomographie à rayons X Synchrotron à grande vitesse, Acta Materialia (2022). DOI : 10.1016/j.actamat.2022.117903