Elaboration des alliages métalliques

Dans le cadre de cette étude, l’ensemble des poudres d’alliages métalliques utilisées a été obtenue par atomisation. Une partie des alliages métalliques a été atomisée sous argon au sein du laboratoire IRTES-LERMPS et la société ECKA a fourni des poudres atomisées sous azote. Les paragraphes suivants présentent de manière succincte le procédé d’atomisation ainsi que les différents alliages utilisés dans cette étude.

B.1 L’atomisation

L’atomisation est un procédé qui consiste à transformer un liquide en fines gouttelettes sous la forme d’un jet ou d’un brouillard. L’atomisation d’un liquide est obtenue en éjectant ce dernier d’un creuset à travers une buse pour provoquer la désintégration spontanée ou assistée par un gaz. Au contraire de l’atomisation de l’eau, l’atomisation des métaux est plus complexe. En effet, les propriétés du fluide changent au cours du processus. La viscosité, par exemple, augmente avec le refroidissement jusqu'à la solidification du fluide [1], [2]. Le système d’atomisation utilisé au sein du laboratoire IRTES-LERMPS est un système de type Nanoval [3], atomisant le métal liquide par une buse De Laval (Figure 1). Le métal liquide coule dans la buse d’atomisation où, affiné, il est désintégré en fines gouttelettes par l’action du jet de gaz (argon). Ces dernières sont accélérées par la buse De Laval. Ainsi l’écoulement du liquide est déformé par les contraintes de cisaillement causées par le gaz à la surface du métal fondu. Les paramètres principaux affectant la taille des particules sont la pression d’atomisation, le débit de métal liquide et la géométrie de la buse d’atomisation [3], [4]. Deux avantages se dégagent en comparaison avec les autres atomiseurs [1], [2] :

• La taille des particules est beaucoup plus fine avec une distribution granulométrique resserrée ;

• L’écoulement gazeux reste laminaire. Cela favorise un meilleur contact avec l’écoulement du métal fondu, permettant de faire une économie sur la consommation de gaz.

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B.2 Les matériaux obtenus par atomisation

Dans cette étude, différentes poudres d’alliages d’aluminium (familles 2000, 5000 et 6000) ont été élaborées ainsi qu'un alliage de magnésium (G-Z4TR).

B.2.a L’aluminium et ses alliages

L’aluminium pur est un matériau possédant de faibles propriétés mécaniques. Dans l’optique d’améliorer ses propriétés, des familles d’alliages d’aluminium ont vu le jour au XIXème siècle. Elles sont au nombre de huit en comptant l’aluminium pur [5]. Ces différents alliages sont composés de trois types d’additions :

• Les éléments d’alliages : ils déterminent la nature de la famille de l’alliage d’aluminium. Ces éléments sont le cuivre, le manganèse, le silicium, le magnésium et le zinc (Figure 2) [5].

• Les additions : elles correspondent aux éléments ajoutés dans l’alliage en faible quantité (<1%) dont le but est de modifier et d’améliorer certaines propriétés de l’alliage (mécanique, chimique, etc.). Il peut y avoir plusieurs éléments d’addition dans une même famille d’alliage.

• Les impuretés : ce sont les éléments non désirés ne venant pas d’un ajout volontaire lors de la production de l’alliage. Le fer et le silicium sont souvent des impuretés présentes dans l’aluminium et ses alliages. Ces deux éléments proviennent de la bauxite, minerai d’où est extrait l’aluminium.

Figure 2: Ensemble des 8 familles d'alliage d'aluminium [5]

Dans cette étude, des poudres d’alliages d’aluminium 1050, 2009, 5056 et 6061 provenant des familles 1000, 2000, 5000 et 6000 [6] seront déposées :

• L’alliage d’aluminium 1050 est pur à 99.5% et fait partie de la famille d’alliage 1000. Il ne comporte donc aucuns éléments d’alliages. Le 1050 correspondent à la nuance de l’aluminium pure la plus courante. Il est utilisé pour sa légèreté, sa bonne résistance à la corrosion ou encore sa bonne aptitude aux traitements de surface.

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• L’alliage d’aluminium 2009 possède 3% de cuivre et 1% de magnésium comme éléments d’alliage. Cet alliage fait partie de la famille d’alliages d’aluminium à durcissement structural la plus ancienne. Elle existe depuis le début des années 1900. Cependant ces alliages ont, en raison de la présence de cuivre, une résistance à la corrosion moyenne.

• L’alliage d’aluminium 5056 a pour élément d’alliage le magnésium pour une teneur de 5%. Ces alliages ont été développés au cours des années 1930. La présence d’éléments d’addition supplémentaires (manganèse, chrome et titane) dans ce type d’alliage permet d’augmenter la résistance mécanique mais aussi certaines propriétés telles que la résistance à la corrosion.

• L’alliage d’aluminium 6061 possède deux éléments d’alliage : 1% de magnésium et 0.6% de silicium [5]. Ces alliages ont de bonnes caractéristiques mécaniques mais aussi une bonne résistance à la corrosion atmosphérique. Ce type d’alliage a une résistance mécanique de l’ordre de 310 MPa. Il est utilisé pour des structures à résistance moyenne apte à résister à la corrosion [7].

B.2.b Le magnésium

B.2.b.i Généralité

Depuis le début du XXème siècle, l’intérêt pour le magnésium ne cesse de croître. Destiné à la base pour le domaine de la chimie métallurgique et la pyrotechnie, l’utilisation de ce matériau dans les alliages se développe notamment au cours des deux guerres mondiales pour des applications structurales exploitant son principal atout : sa densité. Elle est la plus faible de tous les métaux. Le magnésium (Tableau 3) [8], avec une densité de 1.74 g.cm-3 est 75 % plus léger par rapport au fer et 33 % par rapport à l’aluminium. Le magnésium a vu son utilisation croître de manière significative depuis une dizaine d’année par la maîtrise de son principal handicap correspondant à sa faible tenue à la corrosion. Cette dernière a pu être maîtrisée par l’utilisation de techniques de protection plus fiables et par l’émergence d’alliages de haute pureté. De plus, le magnésium est le 8ième élément le plus abondant sur terre. Il est présent dans le sol (gisements de dolomites) et sous forme de sels, de chlorures ou de sulfates dans l’eau.

Le magnésium peut être employé sous forme d’alliages. Deux grandes familles d’alliages se distinguent [9] :

• Alliage magnésium-aluminium-zinc-manganèse ;

• Alliage magnésium-zirconium-zinc-terres rares.

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Masse volumique (g.cm-3) 1.74

Point de fusion (°C) 650

Point d’ébullition (°C) 1107

Conductivité thermique (à 20°C) (W.m-1.K-1) 155

Module d’élasticité (GPa) 45.5

Module de rigidité (GPa) 16.7

Allongement à la rupture (%) 15

Dureté Vickers (HV) 45

Structure hexagonale

Dans cette étude, une poudre d’alliage de magnésium G-Z4TR provenant de la famille des alliages magnésium-zirconium-zinc-terres rares sera déposée. L’ajout de zirconium améliore les caractéristiques de résistance à la traction de l’alliage. Le zinc apporte de bonnes caractéristiques mécaniques, tel que la résistance à la rupture, et améliore la coulabilité. Cependant, cet élément d’ajout favorise la microporosité et la crique à chaud, limitant ainsi sa teneur à 3% au maximum. L’utilisation de terres rares permet d’améliorer les propriétés de fonderie et de soudabilité de l’alliage. Elles diminuent la tendance à la microporosité et à la crique des alliages contenant du zinc.

B.2.b.ii Risque associé

Lors de l’élaboration du magnésium par atomisation, des risques non négligeables de réaction avec l’air sont à envisager en raison de l’absence d'une couche d’oxyde en surface des particules de magnésium nouvellement formées. Cette réaction peut être violente et peut provoquer l’inflammation des particules [9]. Cette action est d’autant plus facilitée que le métal se présente sous une forme pulvérulente (poudre). Le point d’inflammation peut descendre jusqu’à 310°C. La combustion vive du magnésium au contact de l’air donne de la magnésie et une forte chaleur de combustion (610 kJ/mol) [9].

Dans le but de prévenir les risques d’inflammation lors de l’élaboration du magnésium, l’atomisation se déroule sous argon et les poudres sont tamisées et stockés sous atmosphère inerte. L’élimination des plus fines particules (typiquement inférieures à 20 µm) permet de réduire grandement le risque d’inflammabilité lors des phases de manipulation sous air.

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