Alliages Al - Si

Selon la teneur en silicium, les alliages Al - Si peuvent être définis comme hypo eutectiques (<10% en poids Si), eutectiques (12-10% en poids Si), ou hyper eutectiques (> 12% en poids Si). La Figure I.10 présente le diagramme de phases des alliages aluminium – silicium.

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39 Figure I.10 Diagramme de phase des alliages Al – Si d‘après AMS. [73]

Les alliages à base de Al-Si contenant de 3 à 50% (en poids) en silicium sont aussi appelé comme « Silumin » [74]. Ces alliages appartiennent en fait aux (3xxx) et (4xxx) [75]. Les Silumin présentent une haute résistance au frottement et à la corrosion. En outre, l'addition de Si à Al rend la phase liquide moins visqueuse, ce qui facilite la mise en forme par fonderie.

Les microstructures des alliages Al-Si-Mg avec différentes teneurs en silicium sont présentées dans la Figure I. 11. Il est clair que la microstructure change avec l‘augmentation de la teneur en silicium lorsque le teneur de silicium dépasse 12%, on voit apparaitre les grains de silicium primaire.

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40 Figure I.11 Microphotographies optiques de structure de fonderie: (a) Al 4% de Si-0,3%

Mg, (b) 8% d'Si-Mg 0,3%, (c) 12% d'Si-0,3% de Mg, (d) Al 16% Si-0,3% Mg et (e) Al-20% Si-0,3% Mg (200 ×) [76].

Les alliages Al - Si sont donc largement utilisés en fonderie en raison de leur bonne coulabilité et parmi ces alliages, l‘alliage Al-12Si proche de l‘eutectique (12.6%) est l'un des plus utilisés. A la température eutectique (577 þC), l‘Al et le Si peuvent former des solutions solides avec une limite maximale de solubilité de 1,65% de Si dans l‘Al et 0,17% de Al dans le Si. La microstructure typique de Al-12Si fabriqué par fonderie est présentée dans la

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41 Figure I.12. Cette microstructure ne peut pas être modifiée sensiblement par traitement thermique. Par contre lorsque ce type d‘alliage est fabriqué par SLM à partir de poudres [77]^, [78], on obtient une microstructure ultrafine, ce qui conduit à une amélioration des propriétés mécaniques [79].

Au niveau des propriétés, Clarke et Sarkar [80] ont montré que la résistance à l'usure des alliages Al - Si augmente avec l'augmentation de la teneur en Si jusqu'à ce que la composition soit eutectique. Par ailleurs les propriétés mécaniques sont influencées par la taille, la morphologie et la distribution du silicium. Par exemple, Liu et al. [81] ont montré qu'une distribution sphérique, fine et uniforme du Si est bénéfique pour améliorer les propriétés mécaniques de ces alliages.

Figure I.12 Microstructure typique d‘un alliage Al12Si brut de fonderie d‘après Aktarer et al.

[82]

Dans l'industrie automobile le moulage d‘alliages hyper eutectiques Al-18Si (% en poids) est aussi largement utilisé pour la réalisation de composants anti-usure dans les moteurs. Les mécanismes d‘usure de ce matériau ont donc été largement étudiés et sont relativement bien connus [83] [80]. Quelques particularités sur les mécanismes d‘usure ont été rapportées par Clark et al. [80].

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 Le transfert mutuel de matière entre le pion d'Al-Si et de la contre-face en acier semble être une caractéristique de tous les régimes d'usure et devient d‘autant plus important que la charge augmente.

 La transition de légère à sévère de l‘usure est associée à l'existence d'un processus de délaminage.

Pour les alliages Al-Si fabriqués par fonderie, les microstructures fines favorables aux performances mécaniques sont généralement obtenues par l‘addition d'agents de modification comme le Ce [83] (Figure I.13), car il est souvent difficile de jouer sur la vitesse de solidification. Avec l‘ajout de 1% de cérium on observe que la taille de silicium primaire diminue notablement depuis une centaine de micromètres jusqu‘à une vingtaine de micromètres. La contrainte maximum à rupture (UTS) augmente de 50% et la ductilité d‘environ 150% dans le même temps (Figure I.14).

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43 Figure I.13 Microstructures d‘un alliage Al-20Si avec différentes teneurs en Ce (a) 0%, (b)

0.3%, (c) 0.5%, (d) 0.8% and (e) 1.0% d‘après Li et al. [84]

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44 Figure I.14 Propriétés mécaniques d‘un alliage hyper eutectique Al-20Si avec différentes

teneurs en Ce d‘après Li et al. .[84]

Figure I.15Microstructure d‘un alliage Al-70Si de fonderie d‘après Hogg et al. [85]

Cependant, une étude de Hogg et Atkinson [86] a montré que l'addition d'un agent de modification n‘est pas suffisant pour affiner la phase de silicium primaire lorsque la teneur en Si est supérieure à 25 en poids. %. Une autre façon d'affiner la microstructure des alliages Al - Si hyper eutectiques est bien sûr l‘utilisation d‘une cinétique de refroidissement rapide pour limiter la croissance des grains. L‘utilisation du processus de solidification rapide est

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45 indépendante de la composition de l‘alliage et permet également une réduction des coûts [87].

La technique est toutefois difficile à mettre en œuvre et le résultat dépend de la taille des pièces.

Plus récemment, la production d'alliages Al - Si a repris de l‘intérêt grâce à la fabrication additive, en raison des taux élevés de refroidissement généralement observés. De nombreuses techniques telles que le dépôt direct de métal (DMD) [88], la pulvérisation (SF) [89], la projection plasma [90] et le frittage / fusion par laser [91] [90] ont été considérées.

Olakanmi [92] a étudié la possibilité de produire de l'Al pur et des alliages Al-Mg et Al-Si par SLM / SLS et rapporte que l‘alliage Al-12Si, en raison de sa faible dilatation thermique et d‘une répartition uniforme de la pellicule d'oxyde de surface, est un matériau particulièrement approprié pour le SLM / SLS.

Les alliages Al - Si fortement hyper eutectiques présentent aussi une faible densité, une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation thermique (7-9 × 10-6 ℃^-1) proche du silicium et du GaAs, qui sont des matériaux semi-conducteurs classiquement utilisés en électronique [16]. Ils sont donc considérés comme la prochaine génération de matériaux d'emballage pour les dispositifs électroniques (EPM). La Figure I.15 présente la microstructure d‘un alliage Al-70Si de fonderie illustrant la taille très importante des grains de Si primaire, dans le cas d‘une fonderie classique. Ces caractéristiques en font donc des candidats privilégies pour une mise en forme par fabrication additive.