La fabrication d’alliages d’aluminium est désormais 50 % plus économe en énergie

Jun 20, 2023

20 juillet 2022

par Alexandra Freibott, Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique

Les véhicules plus légers peuvent parcourir de plus grandes distances avec moins d’énergie, ce qui stimule la demande de composants automobiles plus légers. Les alliages d'aluminium hautes performances, tels que l'alliage 7075, comptent parmi les 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 fabrication avancée du ministère de l'Énergie, les chercheurs ont déterminé que la technologie ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion) peut éliminer les étapes de traitement thermique dans le processus de production, ce qui entraîne d'importantes économies d'énergie et une réduction des émissions. ShAPE est une approche de fabrication écologique et abordable qui permet une large utilisation d'alliages d'aluminium haute performance dans les applications automobiles.

Tout comme la préparation d'un gâteau, la fabrication des métaux repose sur des ingrédients bien mélangés et beaucoup de chaleur. La production conventionnelle de métaux utilise la chaleur pour faire fondre des métaux individuels et des éléments d'alliage, comme l'aluminium, le cuivre ou le magnésium, afin de créer des alliages plus légers, plus résistants ou plus faciles à former. Si ces éléments ne sont pas bien mélangés, des fissures et des fractures peuvent se former pendant le traitement, compromettant les propriétés du produit final, car une pâte à gâteau grumeleuse et mal mélangée entraînera un gâteau émietté et désastreux. Dans la production de métaux, la chaleur est utilisée pour garantir que les éléments métalliques individuels d’un alliage sont bien mélangés au cours d’une étape appelée homogénéisation.

Lors de l'homogénéisation, les 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 supplémentaire et un formage 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 du PNNL et co-développeur de ShAPE.

La machine ShAPE élimine le besoin d'étapes séparées d'homogénéisation et d'extrusion 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 une économie d’énergie allant jusqu’à 50 pour cent grâce à ShAPE.

ShAPE est non seulement un processus plus économe en énergie et plus rapide, mais il améliore également la qualité du mélange des éléments d'alliage individuels, conduisant à un meilleur produit final. Tout comme une pâte grumeleuse peut gâcher un gâteau, le produit final obtenu par extrusion est souvent plus performant lorsque les éléments sont bien mélangés. Les tests de performance ont montré que les composants fabriqués à partir d'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 constaté que ShAPE brise les agrégats d'alliage et les dissout dans la matrice d'aluminium avant l'extrusion, la rendant ainsi plus extrudable", a déclaré Tianhao Wang, scientifique des matériaux au PNNL et auteur principal de la récente publication. en Matériaux et Design. "Cela se traduit par de meilleures performances : nos alliages d'aluminium 7075 sont plus résistants et s'étirent davantage avant de se briser."