L'aluminium est l'élément métallique le plus abondant de la croûte terrestre. C'est le métal non ferreux le plus produit et utilisé au monde après l'acier. Sa faible densité, environ un tiers de celle de l'acier, lui confère une faible résistance. L'aluminium pur étant mou et peu résistant, l'ajout de faibles quantités d'éléments tels que le magnésium, le cuivre, le zinc, le silicium et le lithium améliore les performances de l'alliage d'aluminium. Les alliages d'aluminium sont les matériaux de structure métalliques non ferreux les plus utilisés dans l'industrie en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques et de leur résistance à la corrosion. Ils sont largement utilisés dans la construction, l'aérospatiale, l'automobile, la fabrication de machines, la construction navale et l'industrie chimique.
Les alliages d'aluminium présentent d'excellentes propriétés en mécanique et en chimie :
1 Aspects mécaniques, principalement reflétés dans une faible densité, une résistance élevée, un module élevé, etc. L'aluminium a une faible densité et est plus léger que les autres métaux, seulement 1/4 de l'acier, il convient donc à une utilisation dans des domaines avec des exigences élevées en matière de légèreté ;
2. En termes de propriétés chimiques, l'alliage d'aluminium peut former un film d'oxyde dense à sa surface à l'air libre, ce qui le protège de l'oxydation profonde. Il présente donc une excellente résistance à la corrosion et une composition chimique très stable.
③ L'alliage d'aluminium présente une bonne plasticité et peut être transformé en divers profils. Il possède une excellente conductivité électrique et thermique. C'est pourquoi il est largement utilisé dans l'industrie, se classant au deuxième rang après l'acier.
Actuellement, l'industrie utilise plus de 250 alliages d'aluminium de compositions différentes. Afin de faciliter la distinction entre les différentes compositions, la Chine adopte une méthode de classification des nuances à quatre chiffres, reconnue internationalement, afin de faciliter le marquage des sites de production, la gestion des données et des calculs. Les alliages d'aluminium utilisés dans l'industrie militaire comprennent principalement les alliages aluminium-lithium, les séries 2XXX (A1-Cu-Mg) et 7XXX.
Demande du marché et tendance de développement de divers matériaux en alliage d'aluminium
Alliage d'aluminium série 2XXX
Les alliages d'aluminium de la série 2XXX (A1-Cu-Mg) présentent une résistance à la traction, une ténacité et une résistance à la fatigue élevées, ainsi qu'une bonne résistance à la chaleur et de bonnes propriétés de traitement et de soudage. Ils sont largement utilisés dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile et de l'armement. Les principales nuances sont les 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12, etc. Une série d'alliages a été développée pour améliorer la résistance, la ténacité et la tolérance aux dommages, tels que les alliages 2024, 2124, 2524 et 2324.
Les modèles d'équipements chinois évoluent vers la légèreté, la longévité, la fiabilité et le faible coût. Ils exigent des matériaux de revêtement de fuselage des exigences élevées en matière de ténacité à la rupture, de résistance à la propagation des fissures et de résistance à la corrosion. À partir de la plaque épaisse en alliage d'aluminium 2024-T351, des pays étrangers ont développé des alliages d'aluminium 2324, 2624 et d'autres alliages à haute tolérance aux dommages pour l'intrados des ailes, présentant différentes résistances, ténacité, fatigue et résistance à la corrosion, et ont été installés et utilisés. La Chine développe actuellement des alliages d'aluminium à haute tolérance aux dommages de la série 2XXX. À l'avenir, le microalliage composite constituera une orientation de développement importante pour les alliages d'aluminium à haute résistance de la série Al-Cu-Mg.
Alliage d'aluminium série 4XXX
Actuellement, les alliages Al-Si eutectiques et hypoeutectiques sont principalement utilisés pour les pistons automobiles en Chine. Cependant, face à l'amélioration constante des performances des moteurs, il est difficile d'y répondre. L'alliage Al-Si hypereutectique présente une faible densité, un faible coefficient de dilatation linéaire, une résistance à l'usure et une stabilité volumique supérieures, ce qui en fait un matériau de piston plus adapté que les alliages Al-Si eutectiques. Des pistons en alliage Al-Si hypereutectique ont été produits en série à l'étranger et utilisés pour les camions et les voitures, notamment l'alliage A390 aux États-Unis, les alliages AC9A et AC8A (ZL109) au Japon et l'alliage A390 en Australie. Cependant, peu de fabricants chinois produisent actuellement des pistons en alliage Al-Si hypereutectique, la plupart dépendant des importations. De plus, il existe un écart important entre les alliages d'aluminium pour turbocompresseurs automobiles et ceux fabriqués à l'étranger. Les alliages d'aluminium hautes performances pour turbocompresseurs automobiles proviennent principalement du Japon et d'autres pays. Il est donc impératif de développer des matériaux clés en alliage d’aluminium pour l’automobile destinés aux pistons et aux turbines de turbocompresseurs hautes performances.
Alliages d'aluminium série 5XXX
Les alliages Al-Mg, notamment ceux à forte teneur en Mg, présentent une résistance spécifique élevée, une bonne soudabilité et une bonne résistance à la corrosion. Ils deviendront des matériaux très compétitifs dans les secteurs de l'aéronautique, des trains à grande vitesse, de la marine et d'autres secteurs. Actuellement, les plaques, profilés et fils de soudage en alliage Al-Mg destinés à l'aéronautique, aux trains, à la marine et à d'autres applications dépendent principalement des importations. Le marché des fils de soudage haut de gamme est quasiment monopolisé par ALCOA aux États-Unis. Les alliages ER5183 et ER5356 dépendent principalement des importations, qui représentent environ 70 % de leurs ventes. Les alliages Al-Mg destinés aux navires proviennent principalement de Russie. Les lingots conventionnels d'alliages à forte teneur en Mg présentent des dendrites bien développées, une ségrégation de phase eutectique importante et de faibles performances de formage. Les méthodes de traitement actuelles présentent encore de nombreux problèmes, tels que de faibles performances, une qualité apparente médiocre, des processus longs, une qualité instable et un faible rendement. La solidification et le formage sub-rapides permettent d'inhiber la précipitation du magnésium et, simultanément, d'obtenir des cristaux équiaxes fins et des phases nanoprécipitées, améliorant ainsi considérablement les performances et l'uniformité du matériau. Par conséquent, le développement d'une technologie d'extrusion rhéologique continue et de laminage par solidification sub-rapide pour les alliages Al-Mg hautes performances devrait répondre à la demande d'alliages Al-Mg de haute qualité.
Alliages d'aluminium de la série 6XXX
Les matériaux en alliage d'aluminium de la série 6XXX sont des matériaux clés dans les domaines du transport ferroviaire, de l'automobile, de l'électronique, etc. Depuis les années 1980, les pays et régions développés tels que l'Europe, les États-Unis et le Japon ont développé des alliages d'aluminium pour automobiles, des nuances enregistrées telles que 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 et 6082, et ont formé un système de production et d'application relativement complet pour les panneaux de carrosserie, les extrusions, les pièces forgées, etc. de l'automobile. La recherche et le développement d'industrialisation des panneaux de carrosserie et des pièces forgées en alliage d'aluminium de la série 6XXX en Chine viennent de commencer, et il existe une lacune évidente. Le ministère chinois de l'Industrie et des Technologies de l'information a proposé le développement des tôles d'alliage d'aluminium pour l'automobile : 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022, etc. La tôle d'alliage d'aluminium de la série 6XXX typique présente un allongement A50 d'au moins 25 %, une valeur r d'au moins 0,60, une limite d'élasticité à 60 jours Rp0,2 d'au moins 140 N/mm² et une augmentation de la limite d'élasticité après durcissement de la peinture d'au moins 80 N/mm². Pour répondre aux différents besoins, le développement des technologies de conception, de préparation et de transformation des alliages d'aluminium de la série 6XXX est devenu une tendance incontournable.
Alliages d'aluminium de la série 7XXX
Les alliages d'aluminium de la série 7XXX présentent une bonne résistance à la corrosion sous contrainte et sont les plus robustes parmi les alliages d'aluminium. Ils sont reconnus internationalement comme matériaux de base pour l'aéronautique. Récemment, des pays étrangers ont développé l'alliage 7055 (Al8Zn-2,05Mg-2,3Cu-0,16Zr), dont la limite d'élasticité dépasse 620 MPa à l'état T77511. Il est utilisé dans le Boeing 777 et permet un gain de poids de 635 kg. À l'heure actuelle, la Chine ne dispose pas de technologies systématiques de conception, de préparation et de transformation des alliages d'aluminium de la série 7XXX destinés à l'aviation, et certains produits dépendent entièrement des importations. En raison de la production de lingots à grande échelle d'alliages d'aluminium de la série 7XXX, riches en éléments, d'une large plage de solidification, de contraintes de coulée élevées et d'une oxydation/ségrégation aisée des éléments d'alliage, la qualité métallurgique des lingots est médiocre et les performances de formage à température ambiante sont faibles. Il est donc crucial de développer de nouveaux alliages d'aluminium de la série 7XXX.
Alliage aluminium-lithium (Al-Li)
L'alliage aluminium-lithium est le matériau léger qui a connu la croissance la plus rapide dans le secteur aéronautique ces dernières années. Il se caractérise par une faible densité, un module d'élasticité élevé, une rigidité spécifique élevée, une bonne résistance à la fatigue et une bonne résistance à la corrosion. En remplaçant les alliages d'aluminium conventionnels, sa masse peut être réduite de 10 à 20 % et sa rigidité augmentée de 15 à 20 %. Au début du XXIe siècle, la société américaine ALCOA a lancé le « Plan ALCOA Aviation 20/20 », avec pour objectif de réduire le coût et le poids des alliages d'aluminium aéronautique de 20 % chacun en 20 ans. Constellium a développé les alliages aluminium-lithium 2050 et 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) à faible densité, haute ténacité et haute tolérance aux dommages. Très peu de nuances d'alliages Al-Li sont développées indépendamment en Chine, et seul l'alliage 1420 a été utilisé. L'alliage aluminium-lithium utilisé dans l'avion de ligne C919 est fourni par Alcoa. Au niveau national, seules des nuances d'alliages limitées telles que 1420, 2195, 2197 et 2A97 peuvent être produites. Les lingots sont uniquement plats de moins de ((310~400)×1280×4000) mm et ronds de moins de φ650 mm. Les lingots plats (2B16) d'une épaisseur supérieure à 60 mm et d'une largeur supérieure à 1500 mm, ainsi que les lingots (2B16) d'un diamètre supérieur à 1500 mm destinés aux applications aéronautiques haut de gamme, n'ont pas encore été produits industriellement. Il est donc crucial de développer de nouvelles conceptions d'alliages aluminium-lithium, la préparation de lingots ultra-larges et une technologie d'usinage en profondeur.
Alliage d'aluminium résistant à la chaleur
Les alliages d'aluminium réfractaires sont des matériaux de base essentiels dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, du transport ferroviaire, etc. Grâce à la régulation d'éléments tels que le Si, le Fe, le Ni, l'Ag et les terres rares, ils résistent à l'oxydation et au fluage à haute température. Les alliages d'aluminium réfractaires traditionnels comprennent : 2519, 2618, 2219, 2D70, etc. Avec le développement rapide des industries aérospatiale et automobile, les exigences en matière d'alliages d'aluminium réfractaires sont plus strictes. La nouvelle génération d'avions de chasse affiche une vitesse de croisière élevée et la température de fonctionnement du fuselage est supérieure à 150 °C. Actuellement, la température d'utilisation à long terme des alliages d'aluminium réfractaires tels que le 2618 et le 2D70 est inférieure à 150 °C. Il est impératif de développer de nouveaux alliages d'aluminium réfractaires.
Alliage Al-Sc à très faible teneur en scandium (Sc)
L'alliage Al-Sc présente d'excellentes propriétés, telles qu'une résistance mécanique élevée, une bonne plasticité et une bonne résistance à la corrosion. Il représente, après l'alliage Al-Li, une nouvelle génération de matériaux légers pour l'aéronautique, la marine, etc. La résistance à la traction de l'alliage Al-Mg contenant des traces de scandium est 30 % supérieure à celle de l'alliage 5083, et sa limite d'élasticité est plus que doublée. Sa soudabilité est comparable à celle des alliages classiques de la série 5XXX, les propriétés mécaniques de la zone affectée thermiquement et de la soudure sont quasiment égales à celles de la matrice, et sa résistance à la corrosion est comparable à celle de l'alliage 5083. Le remplacement des alliages des séries 5XXX ou 6XXX dans la fabrication de composants aéronautiques permet d'obtenir des gains de poids significatifs, et c'est également un matériau de qualité supérieure pour l'automobile et les véhicules ferroviaires. La Russie est à l'avant-garde mondiale du développement d'alliages d'aluminium contenant du scandium. Elle a ainsi formé des alliages Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc et Al-Cu-Mg-Sc avec une teneur en scandium comprise entre 0,18 % et 0,5 %. Afin de promouvoir l'application des alliages aluminium-scandium dans l'aérospatiale et l'automobile, le ministère chinois de l'Industrie et des Technologies de l'information a classé les alliages d'aluminium contenant du scandium parmi les nouveaux matériaux à développer en priorité. Riche en ressources de scandium, la Chine a construit une ligne de production d'extraction d'oxyde de scandium de haute pureté, posant ainsi les bases du développement des alliages aluminium-scandium.
Alliage d'aluminium d'estampage à chaud de qualité 500 MPa pour automobiles
En Chine, l'emboutissage à chaud des alliages d'aluminium à haute résistance présente encore des lacunes. La combinaison de nouveaux matériaux et le développement de nouveaux procédés de formage constituent une solution efficace pour résoudre le problème du formage des pièces automobiles en alliage d'aluminium à haute résistance. L'accent mis sur les alliages de la série 7XXX, l'exploration active des alliages 2XXX et le développement d'alliages d'aluminium de 500 MPa pour l'emboutissage à chaud offrent d'importantes perspectives pour la fabrication de pièces automobiles de formes complexes.
Matériaux composites à base d'aluminium
Plaque composite multicouche aluminium-acier : L'assemblage efficace des ponts en aluminium et en acier est devenu l'une des contraintes d'allègement des superstructures des grands navires. Le joint de transition composite aluminium-acier, utilisé pour le soudage entre les coques en aluminium et en acier, offre une solution pour remplacer le procédé traditionnel de rivetage. Honda a développé une technologie d'assemblage acier-aluminium qui sera utilisée à l'échelle mondiale pour les châssis de voitures de série. Actuellement, les joints composites aluminium-acier utilisés en Chine sont principalement importés de l'étranger, leur prix pouvant atteindre 4×105 CNY/t. Avec les futurs grands navires, des températures de soudage plus élevées, des contraintes d'appui accrues et des interfaces de collage plus solides sont nécessaires pour les joints de transition. Des joints aluminium-acier hautes performances sont donc nécessaires de toute urgence.
Date de publication : 08/03/2025
