01 Défis contemporains : 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 structurels indispensables dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile et des équipements énergétiques. Cependant, avec la demande croissante dans l'industrie moderne pour des géométries complexes et des composants légers à hautes performances, les méthodes de moulage et d'usinage traditionnelles sont confrontées à des limites fondamentales lors de 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 construit des composants complexes avec des densités supérieures à 99,5 % en faisant fondre sélectivement des couches de poudre pré-déposées à l'aide d'un faisceau laser à haute-énergie, construisant ainsi la structure couche par couche. Avec des vitesses de refroidissement typiques atteignant l'ordre de 10⁶ K/s, ce processus permet la formation de solutions solides sursaturées et de microstructures à grains ultrafins-qui se situent bien au-delà de l'état de solidification d'équilibre. À l'inverse, la technologie LDED-qui utilise l'alimentation simultanée de poudre et la fusion laser-démontre des avantages uniques dans la réparation de pièces endommagées, la fabrication de composants structurels à grande échelle-et la production de matériaux fonctionnellement classés. Néanmoins, les alliages d'aluminium sont confrontés à une série de défis physiques-métallurgiques inhérents au cours du processus de fabrication additive laser. Les alliages d'aluminium présentent une réflectivité de plus de 90 % vers les lasers proche-infrarouge (avec une longueur d'onde de 1 070 nm) à température ambiante ; cela se traduit par une efficacité de couplage énergétique extrêmement faible, nécessitant l'utilisation de lasers à haute -puissance-densité de puissance pour établir un pool de fusion stable. De plus, un film d'oxyde dense (Al₂O₃) se forme facilement à la surface des alliages d'aluminium. Avec un point de fusion de 2072 degrés -considérablement supérieur à celui de la matrice d'aluminium (660 degrés)-les fragments de ce film d'oxyde ne parviennent souvent pas à fondre complètement dans le bain de fusion, servant fréquemment de sites de nucléation pour les fissures et les sources d'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 supérieure à celle de l’aluminium solide (environ 0,04 cm³/100 g). Au cours du processus de solidification rapide, les atomes d’hydrogène sursaturés n’ont pas suffisamment de temps pour se diffuser ; au lieu de cela, ils s'accumulent au niveau de l'interface solide-liquide pour former des noyaux de bulles de gaz, laissant finalement derrière eux des pores métallurgiques allant de quelques microns à des dizaines de microns de diamètre au sein de la microstructure solidifiée. Parallèlement, la large plage de températures de solidification des alliages d'aluminium (par exemple, dépassant 150 degrés pour l'Al7075) et leur retrait de solidification important (environ 6 %) les rendent très sensibles à la porosité de solidification et à la fissuration à chaud une fois que les canaux d'alimentation à la queue du bain de fusion se ferment. Cela constitue le principal défi auquel sont confrontés les alliages d'aluminium à haute résistance des séries 2xxx et 7xxx au cours du processus LPBF. De plus, les caractéristiques extrêmes du cycle thermique de la fabrication additive laser-dans lesquelles les températures localisées du bain de fusion dépassent 2 000 degrés tandis que la poudre et le substrat environnants restent entre la température ambiante et 200 degrés, ce qui entraîne des gradients de température aussi élevés que 10⁶ K/m-génère un champ de contrainte thermique complexe au sein des composants fabriqués ; si elle n'est pas contrôlée, cela peut entraîner une déformation, une déformation et même une fissuration entre les couches.
02 Conception de composition : Au niveau de la conception de composition, les systèmes d'alliage d'aluminium traditionnellement utilisés en coulée et en forgeage sont souvent inadaptés à la fabrication additive. Prenons l'exemple de l'alliage AlSi10Mg : alors que sa composition quasi-eutectique lui confère une excellente fluidité lors de la coulée, dans les conditions de solidification rapide du LPBF, le réseau grossier de phases eutectiques de silicium devient paradoxalement 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 des températures élevées. Par conséquent, le développement de systèmes spécialisés en alliage d’aluminium adaptés aux caractéristiques uniques de la fabrication additive est devenu un point clé de la recherche dans ce domaine.
Des recherches menées par l'Institut des technologies vertes et intelligentes de Chongqing, Académie chinoise des sciences, révèlent qu'en ajoutant des traces de Sc (0,2 à 0,4 % en poids) et de Zr (0,1 à 0,3 % en poids) à des alliages à base d'Al-Mg-, des phases primaires nanométriques d'Al₃(Sc,Zr)-possédant une structure L1₂ ordonnée-peuvent être formées *in situ* au cours de la processus de solidification rapide de la fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Cette phase présente un décalage de réseau extrêmement faible (environ 1,3 %) avec la matrice -Al, servant ainsi de site de nucléation hétérogène très efficace qui affine la taille des grains de plusieurs dizaines de micromètres jusqu'au niveau inférieur -micrométrique. L'étude note en outre que l'alliage Al-Mg-Mn-Sc-Zr fabriqué par SLM-présente une structure de grain bimodale caractéristique : les bords du bain de fusion présentent une fine zone de grains équiaxes avec une taille de grain moyenne d'environ 1,04 μm, tandis que le centre du bain de fusion est constitué d'une zone de grains en colonne-croissant le long de la construction. direction-avec une taille de grain moyenne d'environ 2,11 μm. Cette structure de grain hétérogène provient de variations spatiales des gradients de température et des densités de nucléation au sein du bain de fusion ; plus précisément, les bords du bain de fusion sont caractérisés par des gradients de température abrupts et un enrichissement en phases primaires Al₃ (Sc, Zr), ce qui favorise la nucléation hétérogène, tandis que le centre du bain de fusion présente un gradient de température hautement directionnel qui facilite la croissance épitaxiale des cristaux dans la direction de dissipation thermique maximale. Notamment, alors que Sc est un élément coûteux (au prix d'environ 3 000 $/kg), le Zr est relativement peu coûteux (environ 30 $/kg) ; l'ajout combiné de ces deux éléments crée une structure de noyau-coque-comprenant un noyau Al₃Sc et une coque Al₃Zr-qui améliore non seulement de manière significative la stabilité thermique des phases de renforcement, mais réduit également efficacement le coût global de l'alliage. Pendant ce temps, une équipe de l'Université Jiao Tong de Shanghai a proposé une stratégie de conception innovante alternative centrée sur un "nanoéchafaudage eutectique déformable-transformable". En sélectionnant le système proche -eutectique Al-Er (12,7 % en poids d'Er) comme alliage modèle, l'équipe a exploité la capacité de Er à former une phase Al₃Er avec une structure L1₂ en conjonction avec Al ; cette phase présente un décalage de réseau de seulement 3,96 % par rapport à la matrice -Al et se caractérise par une abondance de systèmes de glissement et une grande capacité de jumelage. Au cours du processus d'impression LPBF, Al₃Er précipite sous la forme d'un squelette nanométrique tridimensionnel continu, constituant environ 10,3 % en volume. Ce squelette est non seulement capable de supporter 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 à longue période d'empilement 9R -période -renversant ainsi fondamentalement la notion traditionnelle 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 encore jusqu'à 707 MPa après un traitement de vieillissement direct, tout en maintenant simultanément un allongement de 7 à 10 % ; ces propriétés complètes dépassent celles de 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 basés sur une stratégie de « contrôle de partitionnement élémentaire ». En ajoutant Cu et Mn, ils ont réussi à stabiliser la phase Al₆Fe-en la transformant en une phase de renforcement bénéfique-tout en introduisant simultanément du Ti, qui se divise en phase solide pour induire un raffinement des grains (jusqu'à environ 2,3 μm). Par conséquent, l'alliage atteint une résistance à la traction à température ambiante de 390 MPa et une ductilité de 14 à 17 % ; de manière significative, ses propriétés mécaniques restent pratiquement inchangées même après une exposition thermique à 300 degrés pendant 100 heures.
03 Contrôle des processus : La relation quantitative entre les paramètres du processus et la dynamique du bain de fusion est essentielle pour élucider les mécanismes régissant la formation de microstructures dans la fabrication additive laser d'alliages d'aluminium. Les comportements dynamiques des fluides au sein du bassin de fusion sont déterminés collectivement par la convection de Marangoni, la pression de recul, la flottabilité et les forces thermocapillaires. Parmi celles-ci, les forces de cisaillement de Marangoni-résultant des gradients de tension superficielle induits par les gradients de température à travers la surface du bassin de fusion-constituent la force dominante entraînant l'écoulement du métal en fusion du centre du bassin vers sa périphérie. À l'inverse, la pression de recul-générée par l'éjection vigoureuse de vapeur métallique à l'intérieur du trou de serrure-exerce une force de compression qui pousse le métal en fusion vers le fond et les parois latérales du trou de serrure. Des études indiquent que la densité d'énergie volumétrique (VED) sert de mesure critique pour déterminer les transitions de mode du bain de fusion : lorsque le VED dépasse environ 60 J/mm³, la pression de recul par évaporation devient suffisante pour générer un trou de serrure dans le bain de fusion avec un rapport d'aspect supérieur à 1, initiant ainsi le « mode trou de serrure » ; à l’inverse, le processus fonctionne en « mode conduction ». Bien que le mode trou de serrure facilite l'atteinte d'une densité de matériau élevée, l'oscillation instable du trou de serrure-plus précisément, l'effondrement périodique de sa paroi avant-constitue le principal mécanisme de formation de la porosité du trou de serrure (pores généralement de 50 à 200 μm de diamètre). Ces pores se caractérisent par leur grande taille et leur morphologie irrégulière, ce qui nuit beaucoup plus aux performances en fatigue que les pores métallurgiques à fine échelle. Des recherches menées à la Northwestern Polytechnical University ont démontré que l'ajout d'une trace (0,15 % en poids) d'un raffineur de grains Al-Nb-B à l'alliage AlSi10Mg peut moduler de manière significative la transition en colonne-à-équiaxée (CET). Agissant comme des sites de nucléation hétérogènes, les particules NbB₂ et Al₃Nb résultantes élèvent la fraction volumique de grains équiaxes de moins de 20 % à plus de 80 % ; simultanément, cette intervention réduit le rapport d'anisotropie plastique (défini comme le rapport de l'allongement longitudinal à l'allongement transversal) de 3,5 à 1,2, atteignant ainsi un état d'isotropie presque complète. Les caractéristiques évolutives des défauts de porosité présentent des variations distinctes selon les différents systèmes d'alliages d'aluminium : dans les alliages de la série Al-Cu, la large plage de solidification entraîne une résistance accrue à l'écoulement dans la zone pâteuse, ce qui rend une alimentation efficace (écoulement de fusion compensatoire) plus difficile ; par conséquent, la fraction volumique des pores métallurgiques dans ces alliages peut atteindre 1 à 2 %. En revanche, les alliages de la série Al-Si-en raison de la plage de solidification étroite associée à leur composition eutectique-permettent de contrôler efficacement les niveaux de porosité en dessous de 0,1 %. La formation de la texture cristalline est étroitement liée au comportement de solidification couche par couche ; lorsqu'une stratégie de balayage unidirectionnel à 0 degré est utilisée, un<001>la texture se développe le long de la direction de construction, ce qui entraîne une différence de 10 à 20 % entre les limites d'élasticité dans les directions longitudinale (direction de construction) et transversale. À l’inverse, l’adoption d’une stratégie de balayage avec rotation de 67 degrés peut réduire l’intensité de la texture à un niveau d’orientation aléatoire, éliminant ainsi essentiellement l’anisotropie des propriétés mécaniques. En ce qui concerne les performances de service à haute -température, les alliages d'aluminium fabriqués de manière additive présentent un potentiel de renforcement unique ainsi que des défis spécifiques en matière de dégradation des propriétés. Un article de synthèse de la Central South University classe les mécanismes de renforcement à haute température-des alliages d'aluminium fabriqués de manière additive résistant à la chaleur-en trois voies principales. Premièrement, l'effet synergique à plusieurs-composants construit une architecture multi-thermiquement stable en incorporant des éléments avec des taux de diffusion variables. Par exemple, dans les alliages Al-Ce-Sc-Zr, la phase eutectique Al₁₁Ce₃ dense et uniforme, combinée aux précipités intragranulaires L1₂-Al₃(Sc,Zr), crée un double effet de renforcement ; cela permet à l'alliage de conserver une résistance à la traction de 233 MPa à 300 degrés et de 142 MPa à 400 degrés, sans grossissement significatif des grains observé même après une exposition thermique prolongée à 400 degrés pendant 96 heures. Deuxièmement, le renforcement intermétallique repose sur la sélection de composés intermétalliques présentant de faibles coefficients de diffusion et des points de fusion élevés pour former une structure squelettique rigide à des températures élevées. La constante de vitesse de grossissement de la phase Al₁₁Ce₃ à 400 degrés n'est que de 1,6 nm³/s-considérablement inférieure à celle de la phase Al₂Cu dans les alliages Al-Cu traditionnels à la même température (environ 100 nm³/s) ; cette stabilité supérieure à haute température-permet au premier d'agir en permanence comme une barrière efficace contre le mouvement de luxation. Troisièmement, la régulation à l'échelle atomique -inhibe le grossissement en introduisant des éléments de ségrégation aux interfaces entre les phases de renforcement et la matrice. Des études ont démontré que des éléments tels que Sc, Zr, Si et Mn-qui se ségrégent à l'interface θ′-Al₂Cu/ -Al-peuvent réduire l'énergie interfaciale et empêcher la diffusion atomique, étendant ainsi la plage de températures de service des alliages de la série 2xxx-de la limite traditionnelle de 200 degrés à entre 250 degrés et 300 degrés. . Une étude publiée dans *Nature Communications*-dirigée par l'académicien Lu Jian de la City University de Hong Kong en collaboration avec plusieurs institutions-a fait un pas en avant significatif en utilisant des impuretés courantes trouvées dans les alliages d'aluminium (Si, Fe, Mn et Ni) pour développer un-résistant à la chaleur. Alliage Al-7,44Si-2,34Fe-1,79Mn-1,12Ni qui ne contient ni métaux précieux ni éléments de terres rares. Dans des conditions de solidification rapide, cet alliage subit une ségrégation hors-équilibre, incorporant des nanoprécipités intermétalliques multi-composants-résistants à la chaleur-occupant une fraction volumique allant jusqu'à 14 %-aux limites des cellules de solidification, formant ainsi une microstructure cellulaire thermiquement stable. Sans nécessiter de post-traitement, l'alliage présente une résistance à la traction à température ambiante de 582 MPa, avec des résistances de 263 MPa et 114 MPa à 300 degrés et 400 degrés, respectivement. De plus, l'étude révèle-pour la première fois dans les alliages d'aluminium-un mécanisme de durcissement entraîné par l'amorphisation à l'état solide- : lors d'une déformation à haute-température, une partie des nanoprécipités intermétalliques subit une transformation amorphe à l'état solide, formant finalement une « nanoparticule amorphe + (phase ′-(Ni,Fe)₃Al ordonnée par L1₂) » structure nanobiphasique qui fournit une voie de dissipation d'énergie supplémentaire pour la propagation des fissures à haute température.
