Effet de la forme de la cavité sur l'évolution microstructurale de l'aluminium pur en électricité

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3382 (2023) Citer cet article

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Le raffinement du grain est un enjeu crucial dans les matériaux métalliques. Une des techniques émergentes pour obtenir des grains équiaxes consiste à appliquer un courant électrique au métal liquide lors de la solidification. Dans cette optique, dans cet article, l’effet du courant électrique sur le comportement de solidification dans diverses formes de cavités de moule a été étudié. Des cavités de forme cylindrique, cubique et cuboïde conçues pour avoir un volume de cavité similaire ont été utilisées. En appliquant un courant électrique lors de la solidification de l’aluminium liquide, les grains ont été efficacement raffinés avec une granulométrie d’environ 350 µm pour les trois types de cavités. Il a été observé que le flux d'aluminium liquide en circulation avait une intensité de taux de cisaillement similaire dans les trois types de cavités, qui est suffisamment élevée (sur des centaines de s−1) pour induire une fragmentation des dendrites résultant de noyaux nouvellement générés. La dispersion des noyaux sur l'aluminium non solidifié apparaît différemment selon la forme de la cavité, ce qui influence la forme finale de la zone raffinée. La fraction surfacique de la zone raffinée était affectée par la relation relative entre le temps d’achèvement de la solidification et le temps d’application du courant électrique. Cette étude fournira un aperçu du contrôle des paramètres du processus lorsque la solidification assistée électriquement est appliquée à un produit réel de forme complexe.

Le contrôle de la microstructure est essentiel sur la base de la compréhension du comportement de solidification dans le traitement des métaux liquides pour obtenir une résistance élevée et une bonne ductilité1,2,3. Le comportement de solidification du métal liquide est influencé par divers facteurs, tels que la composition, le flux thermique dans le système de solidification et la qualité du métal liquide. En particulier, la vitesse de refroidissement pendant la solidification est un paramètre clé pour déterminer la structure de solidification4,5. Par exemple, la modification de la taille ou de la forme de la cavité dans le moule peut entraîner une structure de solidification différente, en raison d'un changement dans la vitesse de refroidissement, même si le matériau a exactement la même composition d'alliage. La prise en compte du gradient de champ thermique affectant la structure de solidification est également essentielle pour la production de formes complexes avec des pièces moulées de différentes tailles.

Diverses techniques, telles que les additifs chimiques6,7,8 et les méthodes de refroidissement rapide9,10, ont été utilisées pour contrôler la structure de solidification dans l'industrie du moulage. Les additifs chimiques ont été considérés comme une technique courante pour affiner ou modifier la phase. La méthode de refroidissement rapide est également fréquemment adoptée pour obtenir une structure de solidification fine. Cependant, le premier présente quelques inconvénients, à savoir des additifs de décoloration et la formation indésirable de défauts, tels que des pores et des intermétalliques11,12. Ce dernier présente des limites pour augmenter la vitesse de refroidissement, en fonction du matériau du moule, de la forme du produit et de l'environnement de travail. Pour surmonter ces inconvénients, un traitement du métal liquide utilisant une énergie externe, notamment des vibrations mécaniques13,14,15, une agitation électromagnétique16,17,18,19 et des vibrations ultrasoniques20,21,22, ont été introduits, qui peuvent constituer des méthodes alternatives pour obtenir des propriétés qui répondent aux exigences des produits finis. Récemment, une méthode de coulée utilisant un courant électrique comme source d'énergie externe a été proposée23,24,25,26. Dans cette méthode, un courant électrique est appliqué directement au métal liquide à travers les électrodes pendant la solidification. On sait que l’affinement du grain ou la modification de la phase est le principal effet lorsqu’un courant électrique est appliqué au métal liquide. En particulier, le raffinement des grains a été confirmé par de nombreuses études antérieures27,28,29 depuis 1985, date à laquelle cette technique a été signalée pour la première fois30. Dans divers métaux, notamment les alliages Pb-Sn31,32,33 et Cu-Bi-Sn34,35, les grains ont été efficacement raffinés en appliquant un courant électrique pendant la solidification. Par exemple, la taille des grains de 1 700 µm dans l’alliage Sn-Bi tel que coulé a été réduite à environ 400 µm en appliquant un courant électrique pendant la solidification. Actuellement, la recherche sur le raffinement du grain des alliages d’aluminium attire l’attention, en raison de la demande croissante de matériaux légers. La taille des grains de l'aluminium pur (Al)27,28,29,36 et de l'α-Al dans les alliages Al-Si37,38 est considérablement réduite par l'application d'un courant électrique pendant la solidification. Raiger et al.29 ont rapporté que la taille des grains de l'aluminium pur diminuait d'environ 82 % avec l'application d'un courant électrique, par rapport à celle sans application de courant électrique.