01 Défis de l'époque - En raison de leur faible densité, de leur résistance spécifique élevée et de leur excellente résistance à la corrosion, les alliages d'aluminium sont devenus des matériaux de structure indispensables dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile et des équipements énergétiques. Cependant, à mesure que la demande de l'industrie moderne en matière de géométries complexes et de composants légers à hautes performances-augmente, les méthodes traditionnelles de moulage et d'usinage sont confrontées à des limites fondamentales dans la fabrication de pièces présentant des canaux internes complexes, des structures en treillis et des caractéristiques à parois minces-. Les technologies de fabrication additive-en particulier la fusion sur lit de poudre laser (LPBF) et le dépôt d'énergie dirigé par laser (LDED)-offrent des voies révolutionnaires pour surmonter ces goulots d'étranglement de fabrication. La technologie LPBF utilise un faisceau laser à haute énergie-pour faire fondre sélectivement-des couches de poudre pré-déposées, créant ainsi des composants complexes avec des densités supérieures à 99,5 % couche par couche ; avec des vitesses de refroidissement typiques atteignant l'ordre de 10⁶ K/s, il peut produire des solutions solides sursaturées et des microstructures à grains ultrafins-très éloignées des états de solidification d'équilibre. Pendant ce temps, la technologie LDED, utilisant l'alimentation synchrone de poudre et la fusion laser, démontre des avantages uniques dans la réparation des pièces endommagées et la fabrication de composants structurels à grande échelle- ainsi que de matériaux de composition graduée. Néanmoins, les alliages d'aluminium rencontrent une série de défis métallurgiques physiques - intrinsèques lors de la fabrication additive laser. À température ambiante, les alliages d'aluminium présentent une réflectivité supérieure à 90 % pour les lasers proche-infrarouge (longueur d'onde : 1 070 nm), ce qui entraîne une efficacité de couplage énergétique extrêmement faible et nécessite des lasers à haute -puissance-densité pour établir un bain de fusion stable. Les surfaces en alliage d'aluminium forment facilement un film d'oxyde dense (Al₂O₃) avec un point de fusion de 2072 degrés - nettement supérieur au point de fusion de 660 degrés de la matrice d'aluminium ; les fragments de ce film d'oxyde ne parviennent souvent pas à fondre complètement dans le bain de fusion, servant fréquemment de sites d'initiation à des fissures et à l'absence de-défauts de fusion-. Plus important encore, la solubilité de l'hydrogène dans l'aluminium liquide (environ . 0.7 cm³/100 g) est bien plus élevée que dans l'aluminium solide (environ . 0.04 cm³/100 g) ; lors d'une solidification rapide, les atomes d'hydrogène sursaturés ne peuvent pas se diffuser dans le temps et s'accumulent à l'interface solide - liquide pour former des noyaux de bulles, laissant finalement derrière eux des pores métallurgiques allant de quelques à plusieurs dizaines de micromètres de diamètre au sein de la microstructure solidifiée. Pendant ce temps, la large plage de températures de solidification (par exemple, dépassant 150 degrés pour l'Al7075) et le retrait de solidification important (environ 6 %) des alliages d'aluminium les rendent très sensibles à la porosité de retrait de solidification et à la fissuration à chaud une fois que les canaux d'alimentation se ferment pendant les étapes finales de solidification du bain de fusion ; ces problèmes représentent des défis majeurs dans le traitement LPBF des alliages d'aluminium à haute résistance des séries 2xxx et 7xxx. Les caractéristiques extrêmes du cycle thermique inhérentes à la fabrication additive laser-impliquant des températures de bain de fusion localisées dépassant 2 000 degrés ainsi que des températures de poudre et de substrat environnantes allant de la température ambiante à 200 degrés, entraînant des gradients de température aussi élevés que 10⁶ K/m-générent des champs de contraintes thermiques complexes au sein du composant ; si elles ne sont pas contrôlées, ces contraintes peuvent entraîner des gauchissements, des déformations, voire des fissures intercalaires.
02 Conception de composition - Au niveau de la conception de composition, les systèmes d'alliages traditionnellement utilisés pour le moulage et le forgeage sont souvent inadaptés à la fabrication additive. En prenant l'alliage AlSi10Mg comme exemple, sa composition quasi-eutectique confère une excellente fluidité lors de la coulée ; cependant, dans les conditions de solidification rapide du LPBF, le réseau de phases eutectiques grossières du silicium agit comme une source de concentration de contraintes. De plus, la résistance à la traction de l'alliage à 300 degrés chute à environ 10 % de sa -résistance à température ambiante-, un phénomène attribué au grossissement et à la dissolution rapides de la microstructure eutectique à haute température. Par conséquent, le développement de systèmes spécialisés de composition d’alliages d’aluminium adaptés aux caractéristiques de la fabrication additive est devenu un axe de recherche clé dans ce domaine.
Des recherches menées par l'Institut des technologies vertes et intelligentes de Chongqing, Académie chinoise des sciences, révèlent que l'ajout de traces de Sc (0,2 à 0,4 % en poids) et de Zr (0,1 à 0,3 % en poids) aux alliages Al-Mg permet la formation *in situ* de phases primaires nanométriques Al₃(Sc,Zr) avec une structure ordonnée L1₂ au cours du processus de solidification rapide de la fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Ces phases présentent un décalage de réseau extrêmement faible (environ 1,3 %) avec la matrice -Al et servent de sites de nucléation hétérogènes très efficaces, affinant la taille des grains depuis des dizaines de micromètres jusqu'à l'échelle inférieure-micrométrique. L'étude indique que l'alliage Al-Mg-Mn-Sc-Zr tel que construit présente une structure de grain bimodale caractéristique : une région de grains fins équiaxes (taille moyenne ~ 1,04 μm) aux bords du bain de fusion et une région de grains en colonnes (taille moyenne ~ 2,11 μm) se développant dans la direction de construction au centre du bain de fusion. Cette structure de grain hétérogène résulte des variations spatiales des gradients de température et des densités de nucléation au sein du bain de fusion ; les bords présentent des gradients de température élevés et un enrichissement en phases primaires Al₃ (Sc, Zr), qui favorisent la nucléation hétérogène, tandis que le centre est caractérisé par un gradient de température fortement directionnel qui favorise la croissance cristalline épitaxiale dans la direction de dissipation thermique maximale. Notamment, alors que Sc est cher (environ 3 000 $/kg), Zr est relativement peu coûteux (environ 30 $/kg) ; l'ajout combiné de ces éléments crée une structure de coque Al₃Sc-noyau/Al₃Zr-qui améliore non seulement considérablement la stabilité thermique des phases de renforcement, mais réduit également efficacement les coûts d'alliage. Pendant ce temps, une équipe de l'Université Jiao Tong de Shanghai a proposé une stratégie de conception innovante basée sur un nanoéchafaudage eutectique déformable -transformable. Ils ont sélectionné un système Al{{31}Er quasi eutectique (12,7 % en poids d'Er) comme alliage modèle, en utilisant la formation de la phase Al₃Er structurée L1₂-phase Al₃Er- qui présente un décalage de réseau de seulement 3,96 % avec -Al, ainsi que des systèmes de glissement abondants et une capacité de jumelage élevée. Au cours du processus d'impression LPBF, Al₃Er précipite avec une fraction volumique d'environ 10,3 % sous la forme d'un nano-squelette 3D continu ; ce squelette résiste non seulement à des contraintes élevées dépassant 1 300 MPa, mais facilite également l'accommodation plastique pendant la déformation grâce à la formation de jumeaux de déformation et de structures ordonnées d'empilement de longue période 9R-, renversant ainsi fondamentalement la vision conventionnelle selon laquelle les squelettes eutectiques sont intrinsèquement fragiles. L'alliage Al-Er-Mg tel que-imprimé (RAE700) présente une limite d'élasticité de 632 MPa, qui augmente à 707 MPa après vieillissement direct tout en maintenant un allongement de 7 à 10 %, ce qui donne un profil de performances complet qui surpasse tous les alliages d'aluminium imprimés en 3D-précédemment rapportés. De plus, une équipe de recherche de l'Université de Nagoya a développé une série d'alliages Al-Fe-Mn-Ti basée sur une stratégie de « contrôle de partitionnement des éléments » ; en ajoutant Cu et Mn pour stabiliser la phase Al₆Fe et la transformer en une phase de renforcement bénéfique-tout en introduisant simultanément du Ti qui se divise dans la phase solide pour affiner les grains à environ 2,3 μm-l'alliage atteint une résistance à la traction à température ambiante de 390 MPa et un allongement de 14 à 17 %, avec des propriétés restant pratiquement inchangées après 100 heures d'exposition thermique à 300 degrés.
