Pour plus d'informations, contactez Donald S. Parker, Centre spatial Kennedy, Donald.s.parker@NASA.gov
Des processus de coulée et de forgeage inadéquats dans la fabrication d'alliage d'aluminium 2219 peuvent entraîner des défauts microstructuraux qui entraînent une réponse sous-optimale aux traitements de surface anodiques et une augmentation de la sensibilité à la corrosion. Ce bulletin technique communique les risques d'une coulée inappropriée et recommande une étape d'homogénéisation suivie d'une déformation multidirectionnelle après la coulée à froid directe conventionnelle, en particulier pour les coulées plus importantes. 09/24/26 Numéro DOC: 20260008373
Historique
L'aluminium 2219 est un alliage d'aluminium-cuivre sursaturé et résistant à l'âge développé par Aluminium Company of America (Alcoa) en 1954, pour un service jusqu'à 600 °F. De nombreuses applications aérospatiales comprennent des véhicules de lancement et spatiaux, y compris des réservoirs de carburant de navette spatiale, et des modules sous pression de la Station spatiale internationale. Il possède d'excellentes propriétés cryogéniques, soudabilité, maniabilité et propriétés mécaniques à basse et haute température [1].
Description des problèmes
La coulée de 2219 lingots en alliage d'aluminium est un procédé spécialisé utilisé pour fabriquer des structures à grande échelle qui sont ensuite forgées ou transformées en produits finis. Les défauts internes du lingot fondu peuvent comprendre des grains disparates, la macroségrégation d'éléments d'alliage et des intermétalliques à bandes et grappes de cuivre résiduels, qui peuvent conduire à des propriétés mécaniques et de corrosion insatisfaisantes, y compris une faible ductilité, une faible résistance et une distribution non uniforme des propriétés des matériaux sous forme de produit final. [2,11,12]
Ces défauts peuvent être quelque peu atténués par les processus post-casting, y compris la déformation mécanique, le traitement de la solution, l'extinction et le vieillissement. Toutefois, si les lingots possèdent déjà des discontinuités non récupérables, telles que la ségrégation interdéndritique, les grands intermétalliques de cuivre bagués et groupés, et des grains disparates, aucun traitement thermosmécanique ultérieur ne comblera les lacunes dans les propriétés, en particulier pour les lingots plus gros.
L'homogénéisation comme étape essentielle
L'homogénéisation après coulée améliore considérablement les propriétés finales du traitement mécanique subséquent. Les études montrent que les lois de la diffusion de Ficks conduisent les atomes de cuivre hautement concentrés hors des zones limites interdendriques, les distribuant uniformément à travers les grains de la matrice d'aluminium; les phases résiduelles sont dissoutes dans la matrice, et le degré de ségrégation de tous les éléments réduit considérablement. Les paramètres de traitement de l'homogénéisation doivent être optimisés pour l'épaisseur de la section du lingot afin d'assurer une réponse thermique adéquate et uniforme. Wang et al., qui se sont concentrés sur l'homogénéisation, ont utilisé efficacement une température et un temps de 535 °C pendant 10 heures [3].
Les variables d'optimisation de l'homogénisation comprennent le point de fusion, la quantité et le taux de dissolution de la phase eutectique, la taille du lingot, la taille du grain et la teneur en cuivre. Plusieurs chercheurs ont démontré que des outils comme la diffraction par rayons X (XRD) ou la calorimétrie à balayage différentiel (DSC) sont des outils précieux pour définir et vérifier l'étape d'homogénéisation [3,4,5,6,7,8,9]. L'amélioration de la microstructure et des propriétés mécaniques de l'aluminium homogénéisé 2219 est bien documentée. Les images du microscope électronique à balayage (SEM) tirées d'une étude portant sur l'aluminium 2219 avec différentes quantités de cuivre montrent un changement dans la morphologie des limites des grains après homogénéisation à la figure 1.
Le tableau ci-dessous dresse la liste des résultats de Wang et al. qui ont examiné les modèles 2219 non homogénéisés et homogénéisés, qui ont été forgés et traités selon le tempérament T6. Le 2219 homogénéisé est nettement supérieur [3].
Déformation thermomécanique On a démontré que les déformations mécaniques telles que le forgeage, en particulier le forgeage en rupture, et le laminage, suivies par le traitement de la solution et le vieillissement, améliorent considérablement la microstructure de l'aluminium 2219 en créant des particules Al2Cu de plus petite taille bien distribuées et des grains significativement plus petits conduisant à des propriétés mécaniques améliorées et moins anisotropes. Dans un exemple de nombreuses études, des propriétés mécaniques et microstructurales supérieures ont été développées avec un forgeage multidirectionnel à plus haute température à 510 °C suivi d'un laminage chaud à 240 °C.
La déformation et le roulement, suivis du traitement de la solution et du vieillissement, ont permis de réduire significativement la fraction de surface des particules grossières d'Al2Cu (5,5 % à 1,0 %) en raison de la dissolution dans la matrice. La taille du grain a été réduite (230 micromètres à 58,6 micromètres) grâce à l'augmentation de l'énergie de stockage et de la nucléation du laminage à basse température. Enfin, une phase de distribution uniforme a été augmentée de 118%. Ces changements dans la microstructure ont conduit à de meilleures propriétés de résistance, d'allongement et de fracture[10].
Recommandation/Directive
L'homogénéisation après la coulée à froid directe classique est impérative pour optimiser les propriétés finales de l'aluminium 2219 et devrait être explicitement incluse dans les spécifications d'achat. De plus, la vérification de l'efficacité de l'étape d'homogénéisation est également recommandée et pourrait inclure avant et après les micrographies, les mesures DSC ou XRD. Les micrographies initiales sont utiles pour vérifier un lingot de haute qualité. La déformation multidirectionnelle est également importante pour faciliter la fracturation des particules grossières, la distribution des phases Al2Cu et intermétalliques, la recrystallisation et la nucléation de nouveaux grains, ce qui améliore les propriétés mécaniques.
Références
1. NASA-CR-74545
2. NASA-CR-123777
3. Wang et al., Matériaux 2018, 11, 914.
4. Chen et al., Metals 2020, 10, 197.
5. Zhang et al., Journal of Materials Research and Technology 2023, 27, 7470.
6. Gupta et al., Canadian Metallurgical Trimestriel, 2006, 45, no 3.
7. Xu et al., Métaux 2021, 11, 174.
8. Zhang et al., Matériaux d'ingénierie avancés, 2024, 26.
9. Lin et al., Matériaux 2023, 16, 433.
10. Zhang et al., Journal of Materials Research and Technology 2023, 22, 1136.
11. NASA-TM-2023018439 12. NASA-TM-20240000329
