- Dégazage par ultrasons de métaux fondus jusqu'à 2.300°C et de verre fondu
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Moulage d'aluminium : La technologie ultrasonique réduit l'utilisation du raffineur de grains TiB
Qu'est-ce que le raffinage des grains ?
La structure du grain de l'aluminium est affinée pendant la solidification pour obtenir des grains plus petits et plus uniformes. La structure initiale des grains de l'aluminium coulé est grossière, avec de gros grains dendritiques. Elle est due à une nucléation lente et à une croissance rapide pendant le refroidissement de l'aluminium fondu. Une telle structure de grain entraîne une diminution de la résistance, de la ductilité et de la fissuration. Les gros grains en présence de microségrégation provoquent une anisotropie mécanique et une concentration des contraintes. Cela rend le matériau susceptible de se rompre sous l'effet de la charge.
Les structures à grains fins augmentent les propriétés mécaniques des alliages d'aluminium. Grâce à la relation Hall-Petch, les grains fins (quelques micromètres) augmentent la limite d'élasticité et la résistance à la traction tout en empêchant le mouvement des dislocations. Les grains fins améliorent la ductilité en augmentant la surface des joints de grains, ce qui permet d'absorber et de redistribuer les contraintes et de réduire l'apparition et la propagation des fissures. Ils rendent également les propriétés plus isotropes pour une meilleure cohérence des performances. Les microstructures à grains fins sont nécessaires pour les composants aéronautiques et automobiles. C'est là que le poids et la résistance sont essentiels. Les grains fins rendent le matériau plus uniforme et plus prévisible, ce qui améliore l'usinabilité et l'état de surface.
Rôle du bore de titane TiB en tant qu'affineur de grain dans l'aluminium en fusion
Le bore de titane (TiB) influence la nucléation de la solidification pour affiner les grains d'aluminium en fusion. Il offre des sites de nucléation pour une structure de grain fine et équiaxe. Les particules de TiAl₃ et les composés borurés comme le TiB₂, dont la cristallographie ressemble à celle de l'aluminium, agissent comme de puissants nucléants. Ils diminuent la barrière énergétique de nucléation, facilitent la formation des grains et empêchent les structures dendritiques de se développer. Ainsi, de nombreux petits grains, également dispersés, dominent la solidification plutôt que quelques gros grains.
Le TiB réagit chimiquement avec l'aluminium fondu pendant la solidification. Les particules de TiAl₃ proviennent de la réaction de fusion entre le titane et l'aluminium. Bien qu'instables à haute température, ces particules se combinent avec le bore pour générer du TiB₂ et en faire des nucléants. Le TiB₂, avec sa structure hexagonale stable et son réseau proche de celui de l'aluminium, favorise la nucléation hétérogène. La création de particules de borure sur le front de solidification promet des grains petits et nombreux. Rapidement, les particules de TiB₂ agissent comme des noyaux autour desquels les atomes d'aluminium se solidifient. Cela donne une micro-structure raffinée.
Les défis de l'utilisation du TiB
Préoccupations économiques et environnementales
Le coût élevé du TiB, y compris du TiB₂, affecte les coûts de production de l'affinage de l'aluminium. Le titane, un métal coûteux, rend les alliages de TiB onéreux. Le coût élevé des matières premières et les méthodes à forte intensité énergétique font de la production de TiB₂ pour le raffinage de l'aluminium une activité coûteuse. Elle est difficile à mettre en œuvre dans les secteurs où les marges sont limitées ou dans les endroits où la disponibilité des matières premières est restreinte. Par exemple, les conditions du marché du titane peuvent affecter les prix du TiB, ce qui rend les coûts de fabrication irréguliers. Une telle volatilité peut rendre difficile la fixation d'un prix cohérent pour les produits en aluminium par rapport aux alliages maîtres AlTiB moins chers.
Les considérations environnementales sont également importantes lors de l'utilisation du TiB pour raffiner les céréales. Les produits à base de TiB peuvent émettre des substances chimiques à base de titane et de bore dans l'environnement, ce qui rend leur fabrication et leur élimination difficiles. La gestion des produits chimiques dangereux et des déchets pendant la fabrication du TiB₂ doit permettre d'éviter la pollution de l'environnement. Les produits TiB usagés peuvent infiltrer des composants nocifs dans le sol et l'eau, ce qui rend leur élimination problématique. Les méthodes d'élimination spéciales, y compris la mise en décharge contrôlée ou le recyclage, augmentent l'impact sur l'environnement et les frais d'exploitation. Les exigences réglementaires des gouvernements et des organisations de protection de l'environnement sont également de plus en plus nombreuses pour une métallurgie plus durable. Par conséquent, le bore de titane (TiB) pourrait être moins intéressant qu'un raffineur de grains présentant moins de risques écologiques.
Limites techniques du raffineur de grains TiB dans l'aluminium en fusion
La possibilité d'un affinage excessif ou d'une taille de grain inégale peut limiter techniquement l'affinage du grain de TiB dans l'aluminium. L'efficacité de l'affinage des grains de TiB dépend de la précision de sa concentration et de sa distribution dans l'aluminium fondu. Des concentrations élevées de TiB peuvent entraîner un affinage excessif des grains, en les rendant trop fins. Cela peut rendre l'aluminium trop fragile pour plusieurs utilisations. Inversement, une distribution inégale du TiB peut entraîner une variation de la taille des grains d'aluminium. La variabilité de la résistance et de la ductilité du matériau peut entraîner des défaillances dans des applications clés telles que l'aérospatiale et les composants automobiles. Le contrôle et l'ajustement du processus d'affinage du grain pour obtenir l'équilibre idéal sont complexes et nécessitent des opérateurs compétents.
Un traitement incorrect du TiB peut également provoquer des inclusions ou des défauts dans le produit final en aluminium. Les particules de TiB non dissoutes dans la matière fondue peuvent se comporter comme des concentrateurs de contrainte et provoquer une rupture précoce sous charge. C'est un problème dans les applications à haute performance qui nécessitent l'intégrité du matériau. Par exemple, les pièces aérospatiales peuvent perdre de leur résistance à la fatigue en raison d'inclusions, même minimes. Les inclusions de TiB peuvent entraver le laminage ou l'extrusion tout en provoquant des fissures ou des défauts de surface. La matière fondue doit être bien mélangée et la température contrôlée pour réduire ces risques. Cependant, le TiB est une arme à double tranchant dans l'affinage du grain de l'aluminium, car ces restrictions augmentent la complexité et le coût du travail.
Avec le temps, les particules de TiB₂ peuvent tomber au fond du four de maintien. Cela diminue l'efficacité du raffinage des grains, appelé "effet de décoloration". Les longues durées de maintien dans les opérations industrielles aggravent ce problème. D'autres éléments d'alliage peuvent également affecter l'efficacité du raffineur de grains TiB. Par exemple, le chrome, le zirconium et le lithium peuvent provoquer un "effet d'empoisonnement". Le TiB₂ peut réagir avec d'autres éléments dans l'aluminium fondu. Il peut introduire des phases ou des composés indésirables dans l'alliage fini. De plus, des études suggèrent que l'ajout d'éléments de terres rares tels que Ce et La aux affineurs de grains de TiB pourrait améliorer la nucléation et produire des structures de grains plus fines que les affineurs standard seuls. Mais là encore, ces modifications entraînent des complications et des dépenses supplémentaires.