Les demandes relatives aux propriétés des alliages d’aluminium utilisés pour la fabrication d’aéronefs faites par l’industrie de l’aviation sont croissantes. Le raffinement du grain est un moyen d’améliorer la résistance et la ductilité des alliages d’aluminium. Les solutions d’analyse intégrées, comme le Clemex Vision PE, permettent d’observer et de quantifier les effets du raffinement du grain rapidement et facilement.
L’aluminium est un métal vital dans l’industrie aérospatiale; en fait, la majorité des pièces d’avion, y compris le fuselage, les ailes et les structures de soutien, sont fabriquées à partir d’alliages d’aluminium. Si les alliages d’aluminium sont si populaires, c'est qu'ils sont légers et économiques. Ils sont également faciles et bon marché à fabriquer et à façonner. De plus, les propriétés des alliages d’aluminium peuvent être ajustées pour répondre aux exigences d’applications spécifiques dans l’ensemble de l’aéronef. Il n’est donc pas surprenant que l’aluminium et ses alliages soient le matériau dominant dans les avions depuis un siècle.1,2,3
La mondialisation a entraîné une augmentation de la demande pour les avions et les alliages d’aluminium. Cependant, l’industrie de l’aviation n’a pas seulement besoin de plus d’avions. Il lui faut des avions plus économiques, moins chers à faire fonctionner et plus faciles à entretenir, afin que les économies puissent être transmises au consommateur avec des prix de billet plus bas. La sensibilisation accrue à l’environnement et des réglementations de plus en plus strictes entraînent également des exigences en matière de rendement énergétique accru, de réduction des émissions et de réduction de l’impact sur l’environnement.1,4
De meilleurs matériaux signifient des avions moins chers avec des émissions réduites
L’amélioration des performances matérielles est un moyen de réduire les coûts relatifs au transport aérien et l’impact sur l’environnement. Des matériaux plus solides, plus durables et résistants à la corrosion permettent également de réduire les coûts d’entretien et d’augmenter la durée de vie.4
Pour répondre aux exigences de l’industrie aéronautique et concurrencer les nouveaux matériaux tels que les composites, il est essentiel de concevoir de meilleurs alliages d’aluminium. C’est ce qu’a reconnu la Commission européenne en 2015 lorsqu’elle a publié la feuille de route métallurgique européenne de 2050 qui vise à soutenir le développement d’alliages d’aluminium avec une résistance, une formabilité et une résistance à la corrosion accrues.6
Les performances et les propriétés spécifiques des alliages d’aluminium dépendent de leur composition et de leur microstructure. Au cours des dernières décennies, diverses méthodes ont été développées pour améliorer les propriétés de performance de l’aluminium, y compris les traitements d’alliage, de travail à froid, de purification et de chaleur. Toutefois, le raffinement du grain est l’une des méthodes les plus efficaces pour améliorer la résistance et la plasticité des alliages d’aluminium et est devenu une pratique industrielle courante.1-5
Le raffinement du grain améliore les performances de l’aluminium
La taille du grain est l’un des facteurs microstructurels clés qui affectent les propriétés des alliages d’aluminium. Les grains fins et équiaxes produisent généralement des propriétés mécaniques isotropiques, une porosité réduite et un matériau solide. La taille du grain peut être réduite par un processus appelé raffinement du grain. Le raffinement du grain repose sur la recristallisation, qui peut être réalisée thermiquement, mécaniquement ou chimiquement.7,8
Les méthodes thermiques de raffinement du grain consistent à contrôler le taux de refroidissement des alliages d’aluminium en fusion pendant la fabrication afin d’influencer la nucléation et la croissance du grain. Les méthodes mécaniques de raffinement du grain utilisent l’agitation pour limiter la croissance du grain pendant le refroidissement et la solidification.7,8
Les méthodes chimiques de raffinement du grain impliquent l’ajout d’un additif de raffinage du grain, généralement les alliages mères de titane ou de bore, avant le moulage. Les additifs de raffinage du grain augmentent la nucléation et empêchent la croissance du grain, ce qui se traduit par des tailles de grain plus petites.
La quantité, la forme, la taille et la qualité des additifs influent sur la taille et la structure finales du grain de l’alliage. Le raffinement chimique du grain est considéré comme le moyen le plus efficace d’obtenir des grains fins et uniformes et est la méthode la plus largement utilisée.7,8,9
Observer les effets du raffinement du grain
L’examen de la microstructure et des caractéristiques du grain des alliages d’aluminium permet aux fabricants d’observer les effets du raffinement sur la structure du grain, de déterminer quelles méthodes de raffinement du grain sont les plus efficaces et d’optimiser les conditions du processus. La mesure de la taille du grain et l’analyse de l’uniformité du grain peuvent donner des indications numériques sur l’efficacité du raffinement du grain.10
L’analyse de la microstructure est généralement effectuée à l’aide d’un microscope pour observer les grains dans l’alliage d’aluminium fini. De nombreux laboratoires de contrôle de la qualité évaluent la taille des grains en comparant les grains vus au microscope avec un graphique. Cependant, cette méthode implique une estimation par un opérateur et peut être inexacte.
De plus, il n’y a pas d’observation de la répartition de la taille des grains. Les tailles de grain peuvent être mesurées manuellement, mais ce processus est très long. La façon la plus simple, la plus rapide et la plus fiable de mesurer la taille du grain et d’observer d’autres caractéristiques du grain est d’utiliser une solution d’analyse d’image avancée, telle que le Clemex Vision PE.10-13
Logiciel qui détecte avec précision les limites de grain pour la caractérisation de grain à haut rendement
Le Clemex Vision PE est un outil essentiel pour la caractérisation des grains dans la recherche sur les alliages d’aluminium pour l’industrie aérospatiale. L’analyse d’image Clemex Vision est utilisée par des chercheurs du monde entier pour fournir des mesures précises et fiables de la taille des grains des alliages d’aluminium.9,14-16
La microscopie polarisée et les filtres de couleur permettent au Clemex Vision PE de distinguer tous les grains et d’analyser avec précision la taille, la forme et la distribution des grains automatiquement (voir l’Image 2).12,13,17
Image 2 : Image d’origine de l’aluminium anodisé observée avec des filtres de couleur (à gauche), image avec des contours de grain automatiquement détectés superposés (au centre), distribution de la taille du grain (à droite).17
Cependant, le Clemex Vision PE n’est pas seulement destiné à la recherche sur les alliages d’aluminium; il constitue le système d’analyse d’image polyvalent idéal pour les laboratoires de recherche métallurgique. Il est flexible et efficace, tout en étant facile à utiliser.
Le Clemex Vision PE offre une gamme d’analyses précises pertinentes pour la recherche métallurgique, notamment l’espacement des bras dendritiques, l’épaisseur de couche, la taille du grain, la rugosité de surface, le pourcentage de phase et les analyses d’image personnalisées illimitées. De plus, le système à haut débit vous permet de quitter le laboratoire et de vous assurer que vous aurez des rapports clairs et des données utiles et haute résolution à votre retour.
Références et autres lectures
- « A review on the use of aluminium alloys in aircraft components » — Yashpal, K., Jawalkar, C.S., Kant, S., Journal on Material Science, 2015.
- « Aluminum – Specifications, Properties, Classifications and Classes » https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=2863
- « Aerospace Materials and Material Technologies » — Eswara Prasad, N., Wanhill, R.J.H., Springer, 2017.
- « Innovation in Aerospace »
https://www.raeng.org.uk/publications/reports/innovation-in-aerospace
- « Introduction to Aerospace Materials » — Mouritz, A., Woodhead Publishing, 2012.
- « Metallurgy »
https://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/metallurgy-made-in-and-for-europe_en.pdf
- « Recent advances in grain refinement of light metals and alloys » — Easton, M.A., Qian, M., Prasad, A., StJohn, D.H., Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2016.
- « A Review on Grain Refinement of Aluminum Alloys: Progresses, Challenges and Prospects » — Guan, R.G., Tie, D., Acta Metallurgica Sinica, 2017.
- « Optimum grain refining with a high performance master alloy » — Vainik, R., Courtenay, J., Byrant, M., Aluminium Today International, 2009.
- « Aluminum Properties and Physical Metallurgy » — Hatch, J.E., ASTM International, 1984.
- « ASTM E112-13 Méthodes d'essai standard pour déterminer la taille moyenne des grains » — ASTM International, 2013.
- « Clemex Vision PE : La solution d’analyse d’image la plus complète »
https://www.clemex.com/en/Products/Multipurpose-Image-Analysis/Clemex-Vision-PE/Description
- « La solution d’analyse d’image la plus complète »
- « Effect of grain refinement on mechanical properties and sliding wear resistance of extruded Sc-free 7042 aluminum alloy » — Vasheghani Farahani, M., Emadoddin, E., Emamy, M., Honarbakhsh Raouf, A., Materials & Design, 2014.
- « Mechanical Properties and Microstructural Characteristics of Friction Welded Dissimilar Joints of Aluminium Alloys » — Sundara Bharathi, S.R., Rajeshkumar, R., Razal Rose, A., Balasubramanian, V., Transactions of the Indian Institute of Metals, 2018.
- « Transient Liquid Phase Bonding of AA-6063 to UNS S32304 Using Cu Interlayer » — Saleh, M.I., Khan, T.I., Roven, H.J., Procedia Chemistry, 2016.
- « Caractérisation de la taille des grains dans les alliages d’aluminium » https://www.clemex.com/clemex/media/assets/pdf/Applications/Image-Analysis-Reports/130_Aluminium_GrainSize.pdf?ext=.pdf