En tant qu'alliage léger essentiel aux équipements de transport aéronautique, les propriétés mécaniques macroscopiques de l'alliage d'aluminium sont étroitement liées à sa microstructure. En modifiant les principaux éléments d'alliage, on peut modifier la microstructure de l'alliage et améliorer considérablement ses propriétés mécaniques macroscopiques et d'autres propriétés (telles que la résistance à la corrosion et les performances de soudage). À ce jour, le microalliage est devenu la stratégie de développement technologique la plus prometteuse pour optimiser la microstructure des alliages d'aluminium et améliorer leurs propriétés globales.ScandiumLe (Sc) est l'élément améliorant de microalliage le plus efficace connu pour les alliages d'aluminium. La solubilité du scandium dans la matrice d'aluminium est inférieure à 0,35 % en poids. L'ajout de traces de scandium aux alliages d'aluminium peut améliorer efficacement leur microstructure et considérablement améliorer leur résistance, leur dureté, leur plasticité, leur stabilité thermique et leur résistance à la corrosion. Le scandium exerce de multiples effets physiques sur les alliages d'aluminium, notamment le renforcement des solutions solides, le renforcement des particules et l'inhibition de la recristallisation. Cet article présente l'historique du développement, les dernières avancées et les applications potentielles des alliages d'aluminium contenant du scandium dans le domaine de la fabrication d'équipements aéronautiques.
Recherche et développement d'alliages d'aluminium et de scandium
L'ajout de scandium comme élément d'alliage aux alliages d'aluminium remonte aux années 1960. À cette époque, la plupart des travaux portaient sur les systèmes d'alliages binaires AlSc et ternaires AlMgSc. Dans les années 1970, l'Institut Baïkov de métallurgie et des sciences des matériaux de l'Académie des sciences soviétique et l'Institut panrusse de recherche sur les alliages légers ont mené une étude systématique sur la forme et le mécanisme de formation du scandium dans les alliages d'aluminium. Après près de quarante ans de travail, 14 nuances d'alliages aluminium-scandium ont été développées, réparties en trois grandes séries (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). La solubilité des atomes de scandium dans l'aluminium est faible et, grâce à des procédés de traitement thermique appropriés, il est possible de précipiter des nanoprécipités d'Al3Sc à haute densité. Cette phase de précipitation est presque sphérique, avec de petites particules et une distribution dispersée, et présente une bonne cohérence avec la matrice d'aluminium, ce qui peut améliorer considérablement la résistance à température ambiante des alliages d'aluminium. De plus, les nanoprécipités Al3Sc présentent une bonne stabilité thermique et une bonne résistance au grossissement à haute température (moins de 400 °C), ce qui contribue grandement à la forte résistance thermique de l'alliage. Parmi les alliages d'aluminium et de scandium fabriqués en Russie, l'alliage 1570 a suscité un vif intérêt en raison de sa résistance élevée et de sa large gamme d'applications. Cet alliage présente d'excellentes performances dans la plage de températures de fonctionnement de -196 °C à 70 °C et possède une superplasticité naturelle, ce qui lui permet de remplacer l'alliage d'aluminium LF6 de fabrication russe (un alliage d'aluminium et de magnésium principalement composé d'aluminium, de magnésium, de cuivre, de manganèse et de silicium) pour les structures soudées porteuses en milieu oxygène liquide, avec des performances nettement améliorées. Par ailleurs, la Russie a également développé des alliages d'aluminium, de zinc et de magnésium et de scandium, présentés en 1970, dont la résistance dépasse 500 MPa.
Le statut d'industrialisation deAlliage d'aluminium et de scandium
En 2015, l'Union européenne a publié la « Feuille de route métallurgique européenne : perspectives pour les fabricants et les utilisateurs finaux », proposant d'étudier la soudabilité de l'aluminiumalliages de magnésium et de scandiumEn septembre 2020, l'Union européenne a publié une liste de 29 ressources minérales clés, dont le scandium. L'alliage aluminium-magnésium-scandium 5024H116 développé par Ale Aluminum en Allemagne présente une résistance moyenne à élevée et une tolérance élevée aux dommages, ce qui en fait un matériau très prometteur pour le revêtement de fuselage. Il peut être utilisé pour remplacer les alliages d'aluminium traditionnels de la série 2xxx et a été inclus dans le cahier des charges AIMS03-01-055 d'Airbus. Le 5028 est une nuance améliorée du 5024, adaptée au soudage laser et au soudage par friction-malaxage. Il permet le formage par fluage de panneaux muraux intégraux hyperboliques, qui est résistant à la corrosion et ne nécessite pas de revêtement en aluminium. Comparé à l'alliage 2524, la structure globale des panneaux muraux du fuselage permet une réduction de poids structurelle de 5 %. La tôle en alliage aluminium-scandium AA5024-H116 produite par Aili Aluminum Company a été utilisée pour la fabrication de fuselages d'avions et de composants structurels de vaisseaux spatiaux. L'épaisseur typique de la tôle en alliage AA5024-H116 est de 1,6 mm à 8,0 mm. Grâce à sa faible densité, ses propriétés mécaniques modérées, sa résistance élevée à la corrosion et ses faibles écarts dimensionnels, elle peut remplacer l'alliage 2524 comme matériau de revêtement de fuselage. Actuellement, la tôle en alliage AA5024-H116 a été certifiée Airbus AIMS03-04-055. En décembre 2018, le ministère chinois de l'Industrie et des Technologies de l'information a publié le « Catalogue d'orientation pour le premier lot de démonstrations d'applications secondaires de nouveaux matériaux clés (édition 2018) », qui incluait « l'oxyde de scandium de haute pureté » dans le catalogue de développement de l'industrie des nouveaux matériaux. En 2019, le ministère chinois de l'Industrie et des Technologies de l'information a publié le « Catalogue d'orientation pour le premier lot de démonstrations d'applications de nouveaux matériaux clés (édition 2019) », qui incluait « les matériaux de traitement des alliages d'aluminium contenant du Sc et les fils de soudage Al Si Sc » dans le catalogue de développement de l'industrie des nouveaux matériaux. China Aluminum Group Northeast Light Alloy a développé un alliage Al Mg Sc Zr série 5B70 contenant du scandium et du zirconium. Comparé à l'alliage Al Mg série 5083 traditionnel sans scandium ni zirconium, sa limite d'élasticité et sa résistance à la traction ont augmenté de plus de 30 %. De plus, l'alliage Al Mg Sc Zr présente une résistance à la corrosion comparable à celle de l'alliage 5083. Actuellement, les principales entreprises nationales de qualité industriellealliage d'aluminium et de scandiumLes capacités de production de Northeast Light Alloy Company et Southwest Aluminum Industry sont les suivantes : la tôle grand format en alliage d'aluminium et de scandium 5B70 développée par Northeast Light Alloy Co., Ltd. permet de produire de grandes plaques épaisses en alliage d'aluminium d'une épaisseur maximale de 70 mm et d'une largeur maximale de 3 500 mm. Les tôles minces et les profilés peuvent être personnalisés, avec une épaisseur de 2 mm à 6 mm et une largeur maximale de 1 500 mm. Southwest Aluminum a développé indépendamment le matériau 5K40 et a réalisé des progrès significatifs dans le développement de plaques minces. L'alliage AlZnMg est un alliage à durcissement temporel offrant une résistance élevée, de bonnes performances de mise en œuvre et d'excellentes performances de soudage. C'est un matériau de structure indispensable et important dans les véhicules de transport actuels, tels que les avions. Sur la base de l'AlZnMg soudable de résistance moyenne, l'ajout d'éléments d'alliage de scandium et de zirconium permet de former de petites nanoparticules dispersées d'Al3 (Sc, Zr) dans la microstructure, améliorant ainsi considérablement les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion sous contrainte de l'alliage. Le Centre de recherche Langley de la NASA a développé un alliage ternaire aluminium-scandium de nuance C557, prêt à être utilisé dans des missions de simulation. La résistance statique, la propagation des fissures et la ténacité à la rupture de cet alliage à basse température (-200 °C), à température ambiante et à haute température (107 °C) sont toutes égales ou supérieures à celles de l'alliage 2524. L'Université Northwestern, aux États-Unis, a développé l'alliage d'aluminium ultra-haute résistance AlZn Mg Sc de la série 7000, dont la résistance à la traction peut atteindre 680 MPa. Un modèle de développement conjoint entre l'alliage aluminium-scandium à résistance moyenne-haute et l'alliage ultra-haute résistance Al Zn Mg Sc a été établi. L'alliage Al Zn Mg Cu Sc est un alliage d'aluminium à haute résistance dont la résistance à la traction dépasse 800 MPa. À l'heure actuelle, la composition nominale et les paramètres de performance de base des principales nuances dealliage d'aluminium et de scandiumsont résumés comme suit, comme indiqué dans les tableaux 1 et 2.
Tableau 1 | Composition nominale de l'alliage aluminium-scandium
Tableau 2 | Microstructure et propriétés de traction de l'alliage aluminium-scandium
Perspectives d'application de l'alliage aluminium-scandium
Les alliages Al Zn Mg Cu Sc et Al CuLi Sc à haute résistance ont été appliqués à des composants structurels porteurs, notamment aux avions de chasse russes MiG-21 et MiG-29. Le tableau de bord du vaisseau spatial russe « Mars-1 » est fabriqué en alliage d'aluminium-scandium 1570, ce qui représente une réduction de poids totale de 20 %. Les composants porteurs du module d'instruments du vaisseau spatial Mars-96 sont fabriqués en alliage d'aluminium-scandium 1970 contenant du scandium, ce qui réduit le poids du module d'instruments de 10 %. Dans le cadre du programme « Clean Sky » et du projet européen « 2050 Flight Route », Airbus a réalisé des vols d'essai intégrés de conception, de recherche et développement, de fabrication et d'installation de portes de soute pour l'A321, basés sur l'alliage d'aluminium-scandium AA5028-H116, successeur de l'alliage d'aluminium-scandium 5024. Les alliages d'aluminium-scandium AA5028 ont démontré d'excellentes performances de traitement et de soudage. L'utilisation de techniques de soudage avancées telles que le soudage par friction-malaxage et le soudage laser permet d'obtenir un assemblage fiable des alliages d'aluminium contenant du scandium. L'adoption progressive du soudage au lieu du rivetage dans les structures en tôles minces renforcées pour les avions permet non seulement de préserver la cohérence des matériaux et l'intégrité structurelle des avions, mais aussi d'obtenir une conception efficace et économique. La fabrication industrielle est facilitée, mais elle présente également des avantages en termes de réduction de poids et d'étanchéité. Les recherches appliquées sur l'alliage aluminium-scandium 5B70 menées par l'Institut chinois de recherche sur les matériaux spéciaux pour l'aérospatiale ont permis de percer les technologies de filage renforcé de composants à épaisseur variable, de contrôle de la résistance à la corrosion et de l'adaptation de la résistance, ainsi que de contrôle des contraintes résiduelles de soudage. L'Institut a développé un fil de soudage adaptatif en alliage aluminium-scandium, dont le coefficient de résistance des joints par soudage par friction-malaxage pour plaques épaisses peut atteindre 0,92. L'Académie chinoise des technologies spatiales et l'Université du Centre-Sud, entre autres, ont mené des essais de performance mécanique et des expériences de procédé approfondis sur le matériau 5B70, amélioré et itéré le schéma de sélection des matériaux structurels pour le 5A06, et commencé à appliquer l'alliage d'aluminium 5B70 à la structure principale des panneaux muraux renforcés de la cabine étanche et de la cabine de retour de la station spatiale. Le panneau mural de la cabine pressurisée à structure en plaques est conçu avec une combinaison de revêtement et de nervures de renfort, ce qui permet une meilleure intégration structurelle et une optimisation du poids. Tout en améliorant la rigidité et la résistance globales, il réduit le nombre et la complexité des composants de connexion, allégeant ainsi davantage le poids tout en maintenant des performances élevées. Grâce à la promotion de cette application, Dans le cadre de l'ingénierie des matériaux 5B70, l'utilisation de ce matériau augmentera progressivement jusqu'à dépasser le seuil d'approvisionnement minimal, ce qui contribuera à assurer la continuité de la production et la stabilité de la qualité des matières premières, et à réduire considérablement les prix de ces dernières. Comme mentionné précédemment, bien que de nombreuses propriétés des alliages d'aluminium aient été améliorées grâce au microalliage de scandium, le prix élevé et la rareté du scandium limitent leur champ d'application. Comparés aux alliages d'aluminium tels que AlCu, AlZn et AlZnMg, les alliages d'aluminium contenant du scandium présentent de bonnes propriétés mécaniques complètes, une résistance à la corrosion et d'excellentes caractéristiques de mise en œuvre, ce qui leur confère de vastes perspectives d'application dans la fabrication de composants structurels majeurs dans des secteurs industriels tels que l'aérospatiale. Grâce à l'approfondissement continu de la recherche sur la technologie du microalliage de scandium et à l'amélioration de l'adéquation entre la chaîne d'approvisionnement et la chaîne industrielle, les facteurs de prix et de coût qui limitent l'application industrielle à grande échelle des alliages d'aluminium et de scandium s'amélioreront progressivement. Leurs excellentes propriétés mécaniques complètes, leur résistance à la corrosion et leurs excellentes caractéristiques de mise en œuvre leur confèrent des avantages évidents en termes de réduction du poids structurel et un large potentiel d'application dans la fabrication d'équipements aéronautiques.
Date de publication : 29 octobre 2024