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Affinage du grain par ultrasons dans l'aluminium fondu dans une coulée à refroidissement direct

Article sur le traitement en cuve permettant d'obtenir des billettes et des dalles sans micro-ségrégation.

Blog Dégazage par ultrasons

Par Nico van Dongen MBA

Lacoulée en coquille directe est la méthode semi-continue la plus courante utilisée pour fabriquer des lingots rectangulaires ou cylindriques de métaux non ferreux, en particulier les métaux et alliages d'aluminium, de cuivre et de magnésium. Le procédé utilise un moule refroidi à l'eau avec un fond ouvert. Le métal fondu est versé dans le moule, où la couche extérieure se solidifie en prenant la forme du moule tout en retenant le métal fondu en son centre. Lorsque le lingot sort de la lingotière, de l'eau est pulvérisée directement sur la surface du lingot, ce qui achève le processus de solidification.

Ségrégation de la ligne centrale

Dans la coulée en courant continu, la ségrégation au centre (macroségrégation) est un problème critique. Dans cette région, une divergence importante par rapport à la composition nominale de l'alliage peut se produire, entraînant des variations considérables des propriétés mécaniques. Divers mécanismes sont impliqués. Ils comprennent la convection, l'écoulement induit par le retrait, la sédimentation des grains et l'accumulation de cristaux solides. Le schéma global de macroségrégation dépend des contributions relatives de ces mécanismes.

Jusqu'à récemment, l'effet du traitement ultrasonique de la fonte sur la ségrégation de la ligne centrale n'a pas été pleinement exploré. En général, la cavitation ultrasonique et le ruissellement acoustique contribuent à la redistribution des divers éléments impliqués dans la ségrégation de la ligne centrale et l'affaiblissent certainement, mais sans nécessairement l'éliminer.

Un problème important des traitements par ultrasons conventionnels utilisant une technologie à fréquence fixe est la formation d'ondes stationnaires qui sont censées empêcher l'élimination de la ségrégation de la ligne centrale. Pour surmonter ce problème, nous avons récemment mis au point un traitement par ultrasons à fréquences multiples. Celui-ci élimine les ondes stationnaires et peut éliminer la ségrégation des lignes centrales à l'échelle industrielle.

"Un avantage important de la coulée en coquille directe est que la solidification se produit dans une couche étroite et est relativement facile à contrôler au niveau macro. Cependant, il existe des problèmes importants à surmonter, notamment en termes de micro-ségrégation et de structure des grains. Une approche pour gérer ces phénomènes consiste à utiliser le traitement par ultrasons pendant la solidification. Le processus implique l'introduction d'une ou de plusieurs sonotrodes dans la masse fondue, et l'énergie ultrasonique offre des avantages significatifs pour le dégazage, la réduction de la microségrégation et l'affinement de la structure des grains".

Nico van Dongen, chef de projet dégazage par ultrasons, micro-alliage et affinage du grain.

Dégazage par ultrasons dans l'aluminium fondu.

La porosité gazeuse est un défaut critique des pièces moulées en aluminium. La porosité dégrade les propriétés mécaniques, notamment la résistance à la fatigue. Elle se produit lorsque la concentration du gaz dépasse sa solubilité dans le métal. Dans l'aluminium, le principal gaz est l'hydrogène. Celui-ci est formé par une réaction chimique entre le métal liquide et la vapeur d'eau atmosphérique, produisant de l'alumine et du gaz hydrogène. L'hydrogène étant plus soluble dans le liquide que dans le solide, il précipite hors du liquide pendant la solidification, créant ainsi une porosité. Ainsi, pour obtenir un moulage de haute qualité, l'hydrogène dissous doit être éliminé du métal fondu avant sa solidification.

Il existe plusieurs méthodes pour y parvenir, mais le dégazage par ultrasons de l'aluminium en fusion présente de nombreux avantages, notamment un coût relativement faible et un impact minimal sur l'environnement. Le procédé consiste à introduire des ondes ultrasonores dans la masse fondue. En premier lieu, lorsque l'onde ultrasonore se propage dans la masse fondue, des bulles de cavitation sont générées. Le gaz dissous se diffuse alors dans ces bulles qui remontent à la surface et s'échappent dans l'environnement.

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Affinage du grain par ultrasons

Idéalement, une structure à grains fins non dendritique dans laquelle les grains sont équiaxes (avec des dimensions égales dans toutes les directions) est préférée. Une telle structure réduit le retrait et la déchirure à chaud tout en assurant une distribution plus uniforme des phases secondaires et de la microporosité. Le résultat global est une amélioration des propriétés mécaniques.

De nombreuses méthodes de raffinement du grain sont employées, leur objectif commun étant d'augmenter le nombre de nucléi par nucléation hétérogène.

Le raffinement du grain par ultrasons dans l'aluminium fondu, qui consiste à introduire des ondes acoustiques d'une fréquence supérieure à 17 kHz dans la masse fondue, induit des ondes de compression et d'expansion qui peuvent former des cavités ; un phénomène connu sous le nom de cavitation. Lorsque les cavités s'effondrent, un échauffement intense se produit, entraînant des zones de haute pression localisées. Les effets de la cavitation comprennent la nucléation hétérogène, la fragmentation et la multiplication des grains assistées par la cavitation, le transport de dendrites et le mélange intense.

L'effet de l'énergie ultrasonore sur le raffinement du grain dépend essentiellement de la fréquence et de l'amplitude de l'énergie ultrasonore appliquée.