Comment fonctionne le dépôt par fil à faisceau d'électrons pour les alliages d'aluminium ?

Le dépôt par fil à faisceau d'électrons est utilisé comme procédé d'impression 3D d'alliages d'aluminium. Les alliages d'aluminium allient légèreté et haute résistance à une bonne ductilité, une bonne conductivité électrique et thermique, ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion. Ces propriétés physiques, chimiques et mécaniques permettent des applications dans l'aérospatiale, la construction automobile, le transport ferroviaire, l'armement, les réservoirs de stockage, l'électroménager, la construction et les matériaux de construction. Depuis les années 1960, les alliages d'aluminium sont largement utilisés dans la production en grande série de matériel ferroviaire et automobile.

Les alliages d'aluminium peuvent être classés de plusieurs façons. Selon leur procédé de fabrication de base, on distingue les alliages moulés et les alliages corroyés. Selon leur utilisation, ils comprennent l'aluminium pur, l'aluminium résistant à la corrosion, le duralumin, le super-duralumin et l'aluminium à usage spécifique. Selon leur comportement au traitement thermique, ils sont classés en alliages traitables thermiquement et en alliages non traitables thermiquement. En fonction de leurs principaux éléments d'alliage, ils sont répartis en huit séries. Une référence distincte traite des huit séries d'alliages d'aluminium.

Propriétés des matériaux et soudabilité

Étant donné que le dépôt par faisceau d'électrons consiste à ajouter du matériau sous forme de fil, son comportement s'apparente à celui du soudage, en particulier au soudage à fil d'apport. Il est donc nécessaire d'évaluer la soudabilité avant le dépôt. Les alliages d'aluminium sont généralement soudables, mais certaines caractéristiques peuvent nuire au soudage et au dépôt par fil.

Oxydation forte

L'aluminium réagit facilement avec l'oxygène présent dans l'air et lors du soudage pour former un Al₂O₃ film. L'alumine présente un point de fusion élevé, est chimiquement et physiquement stable, est difficile à éliminer et absorbe fortement l'humidité. Ce film de surface rend le métal de base plus difficile à faire fondre et peut entraîner la formation d'inclusions de scories, un défaut de fusion et une pénétration incomplète. L'humidité absorbée peut pénétrer dans la soudure et provoquer de la porosité.

Avant le soudage, la surface doit être soigneusement nettoyée par meulage mécanique ou par des procédés chimiques afin d'éliminer l'Al₂O₃. La zone de soudage doit également bénéficier d'une protection efficace. Le soudage TIG utilise généralement du courant alternatif afin que le nettoyage cathodique élimine le film d'oxyde.

Comportement thermophysique

Les alliages d'aluminium présentent une conductivité thermique et une capacité thermique spécifique supérieures à celles de l'acier. La chaleur est rapidement transmise au substrat et évacuée de la zone de soudage ; un préchauffage peut donc s'avérer nécessaire. Leur coefficient de dilatation linéaire élevé favorise également la formation de fissures à chaud et les déformations. La composition du fil peut être ajustée pour limiter les fissures à chaud, tandis que le préchauffage peut contribuer à contrôler les déformations.

Porosité

L'aluminium liquide peut dissoudre beaucoup plus d'hydrogène que l'aluminium solide ; la solubilité de l'hydrogène varie d'un facteur de 17,5 entre l'état liquide et l'état solide. Le faible point de fusion et la conductivité thermique élevée de l'aluminium entraînent une solidification rapide du bain de fusion, ce qui ne laisse pas suffisamment de temps à l'hydrogène pour s'échapper et favorise la formation de pores d'hydrogène. L'Al₂O₃ Le film se régénère presque instantanément après le nettoyage, et l'humidité adsorbée devient une source majeure d'hydrogène. Il est donc indispensable de contrôler rigoureusement les sources d'hydrogène.

Formation du cordon de soudure

La formation de perles est difficile pour deux raisons. L'aluminium ne présente aucun changement de couleur notable avant la fusion, ce qui rend difficile l'évaluation des conditions de formage, et sa faible résistance aux hautes températures offre peu de soutien au métal en fusion, ce qui augmente le risque de perçage.

Évolution des propriétés des joints

1. L'évaporation et la combustion du Mn, du Mg et du Zn aux températures de soudage réduisent la quantité d'éléments disponibles pour former des phases de renforcement et diminuent les propriétés mécaniques de la soudure.
2. La recristallisation dans la zone affectée thermiquement réduit la résistance des alliages ayant subi un durcissement par déformation ou un vieillissement en solution.
3. L'aluminium présente un réseau cubique à faces centrées et ne comporte pas d'allotropes ; le cycle thermique n'entraîne donc aucune transformation de phase susceptible d'affiner les grains ; les grains de soudure restent ainsi relativement grossiers.

Le soudage par faisceau d'électrons s'effectue sous vide, ce qui élimine tout contact entre l'aluminium et l'air pendant le soudage. Un nettoyage minutieux avant le soudage est nécessaire pour éliminer l'Al₂O₃ reste essentiel, et le nettoyage du fil d'aluminium avant le dépôt revêt une importance particulière. Le choix de la composition du fil peut également permettre d'éviter la fissuration à chaud et les défauts qui y sont liés. Le fil de soudage en alliage 2219 est largement utilisé pour le dépôt par faisceau d'électrons.