PNNL ShAPE réduit de moitié l'énergie nécessaire au processus d'extrusion d'aluminium

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.

Maintenant, des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont montré que leur technologie de traitement et d'extrusion assistés par cisaillement (ShAPE) (article précédent) 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. Un article en libre accès sur l'étude est publié dans la revue Materials & Design.

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. 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 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 de tout le processus d'extrusion des métaux.

Le processus ShAPE de PNNL utilise une machine pour faire tourner des billettes ou des morceaux d'alliage métallique en vrac, créant juste assez de chaleur par friction pour ramollir le matériau afin qu'il puisse être facilement extrudé à travers une filière pour former des tubes, des tiges et des canaux. Les forces linéaires et de rotation simultanées n'utilisent que 10 % de la force généralement nécessaire pour pousser le matériau à travers la matrice dans les procédés conventionnels.

Les chercheurs du PNNL ont maintenant découvert que la machine ShAPE élimine le besoin d'étapes séparées d'homogénéisation et d'extrusion en combinant chauffage et déformation - 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 une économie d'énergie allant jusqu'à 50% en utilisant ShAPE.

L'extrusion de pièces moulées non homogénéisées de l'alliage d'aluminium (Al) 7075 a été réalisée à l'aide d'un traitement et d'une extrusion assistés par cisaillement (ShAPE). La déformation plastique simultanée et la génération de chaleur pendant ShAPE se fracturent rapidement et dissolvent les phases secondaires interdendritiques et intragranulaires d'Al-Zn-Mg-Cu, accomplissant l'homogénéisation en quelques secondes plutôt qu'en plusieurs heures dans un four avant l'extrusion. ShAPE élimine ainsi l'étape d'homogénéisation énergivore et chronophage requise pour préparer les microstructures brutes de coulée pour l'extrusion conventionnelle.

Simultanément, un raffinement important du grain se produit en raison de l'activation par gradient de la recristallisation dynamique pendant ShAPE, ce qui facilite une multiplication par trois de la vitesse d'extrusion par rapport à la méthode d'extrusion conventionnelle. Une amélioration évidente des propriétés mécaniques des échantillons ShAPE + T6 est obtenue, par rapport aux valeurs standard ASTM pour les produits d'extrusion conventionnels.

Les images de l'alliage d'aluminium 7075 prises avec un microscope électronique à balayage avant (A), pendant (B) et après (C) le passage dans la machine ShAPE montrent comment la microstructure de l'alliage change pendant l'extrusion. L'effet de cisaillement de la machine ShAPE décompose les particules en morceaux beaucoup plus petits pour créer une microstructure plus uniforme. (Image de Joshua Silverstein | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique)

Non seulement ShAPE est un processus plus économe en énergie et plus rapide, mais il améliore également la qualité du mélange des éléments d'alliage individuels, ce qui conduit à un meilleur produit final. 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.

Schémas de (a) le processus ShAPE et (b) la réponse matérielle correspondante dans la billette restante après extrusion (vue longitudinale). Wang et al.

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. Cela se traduit par de meilleures performances : nos alliages d'aluminium 7075 sont plus résistants et s'étirent davantage avant de casser.

La fabrication des alliages d'aluminium les plus performants demande beaucoup de temps et d'énergie, ce qui les exclut de nombreux marchés, tels que 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.

Cette recherche a été soutenue par le bureau de fabrication avancée du ministère de l'Énergie et réalisée à l'aide d'une machine ShAPE spécialement conçue à cet effet, fabriquée par BOND Technologies, Inc. Le processus, l'outillage et les techniques ShAPE sont disponibles sous licence.

Ressources

Tianhao Wang, Julian Escobar Atehortua, Miao Song, Md Reza-E-Rabby, Brandon Scott Taysom, Josh Silverstein, Timothy Roosendaal, Darrell Herling, Scott Whalen (2022) « Extrusion de pièces moulées non homogénéisées d'aluminium 7075 via ShaPE », Matériaux et conception, volume 213, doi : 10.1016/j.matdes.2021. 110374

Publié le 20 juillet 2022 dans Fabrication, Contexte du marché, Matériaux | Lien permanent | Commentaires (0)