Types de base de traitement thermique des alliages d'aluminium

Le recuit, la trempe et le vieillissement sont les principaux traitements thermiques des alliages d'aluminium. Le recuit est un traitement d'adoucissement visant à uniformiser et à stabiliser la composition et la structure de l'alliage, à éliminer l'écrouissage et à restaurer sa plasticité. La trempe et le vieillissement sont des traitements thermiques de renforcement visant à améliorer la résistance de l'alliage. Ils sont principalement utilisés pour les alliages d'aluminium pouvant être renforcés par traitement thermique.

1 Recuit

Selon les différentes exigences de production, le recuit des alliages d'aluminium est divisé en plusieurs formes : recuit d'homogénéisation des lingots, recuit des billettes, recuit intermédiaire et recuit du produit fini.

1.1 Recuit d'homogénéisation des lingots

Dans des conditions de condensation rapide et de cristallisation hors équilibre, le lingot doit présenter une composition et une structure irrégulières, ainsi que de fortes contraintes internes. Pour remédier à cette situation et améliorer l'aptitude au façonnage à chaud du lingot, un recuit d'homogénéisation est généralement nécessaire.

Afin de favoriser la diffusion atomique, une température plus élevée doit être choisie pour le recuit d'homogénéisation, sans toutefois dépasser le point de fusion eutectique bas de l'alliage. Généralement, la température de recuit d'homogénéisation est inférieure de 5 à 40 °C au point de fusion, et la durée du recuit est généralement comprise entre 12 et 24 heures.

1.2 Recuit des billettes

Le recuit des billettes désigne le recuit précédant la première déformation à froid lors du traitement sous pression. L'objectif est d'obtenir une structure équilibrée et une capacité de déformation plastique maximale pour la billette. Par exemple, la température de fin de laminage d'une brame d'alliage d'aluminium laminée à chaud est de 280 à 330 °C. Après un refroidissement rapide à température ambiante, le phénomène d'écrouissage ne peut être totalement éliminé. En particulier, pour les alliages d'aluminium renforcés traités thermiquement, après un refroidissement rapide, le processus de recristallisation n'est pas terminé, la solution solide sursaturée n'est pas complètement décomposée et une partie de l'effet d'écrouissage et de trempe est conservée. Le laminage à froid direct sans recuit est difficile, d'où la nécessité d'un recuit des billettes. Pour les alliages d'aluminium renforcés non traités thermiquement, comme le LF3, la température de recuit est de 370 à 470 °C, et le refroidissement à l'air est effectué après un maintien à chaud de 1,5 à 2,5 heures. La température de la billette et du recuit utilisée pour l'usinage des tubes étirés à froid doit être suffisamment élevée, et une température limite supérieure peut être sélectionnée. Pour les alliages d'aluminium durcissables par traitement thermique, tels que LY11 et LY12, la billette est recuite à une température de 390 à 450 °C, maintenue à cette température pendant 1 à 3 heures, puis refroidie au four à moins de 270 °C à une vitesse maximale de 30 °C/h, puis refroidie à l'air à la sortie du four.

1.3 Recuit intermédiaire

Le recuit intermédiaire désigne le recuit entre les processus de déformation à froid. Son objectif est d'éliminer l'écrouissage pour faciliter la déformation à froid continue. En règle générale, après recuit, il est difficile de poursuivre l'écrouissage sans recuit intermédiaire après une déformation à froid de 45 à 85 %.

Le procédé de recuit intermédiaire est fondamentalement le même que celui du recuit des billettes. Selon le degré de déformation à froid requis, le recuit intermédiaire peut être divisé en trois types : recuit complet (déformation totale ε≈60~70 %), recuit simple (ε≤50 %) et recuit léger (ε≈30~40 %). Les deux premiers types de recuit sont identiques à ceux du recuit des billettes, le dernier étant chauffé à 320~350 °C pendant 1,5 à 2 heures, puis refroidi à l'air.

1.4. Recuit du produit fini

Le recuit du produit fini est le traitement thermique final qui confère au matériau certaines propriétés organisationnelles et mécaniques en fonction des exigences des conditions techniques du produit.

Le recuit des produits finis peut être divisé en recuit haute température (production de produits souples) et recuit basse température (production de produits semi-durs dans différents états). Le recuit haute température doit garantir une structure de recristallisation complète et une bonne plasticité. Pour garantir une structure et des performances optimales du matériau, le temps de maintien ne doit pas être trop long. Pour les alliages d'aluminium durcissables par traitement thermique, la vitesse de refroidissement doit être strictement contrôlée afin d'éviter l'effet de trempe par refroidissement à l'air.

Le recuit à basse température comprend le recuit de détente et le recuit d'adoucissement partiel, principalement utilisés pour l'aluminium pur et les alliages d'aluminium renforcés sans traitement thermique. La formulation d'un système de recuit à basse température est une tâche complexe, qui nécessite non seulement de prendre en compte la température de recuit et le temps de maintien, mais aussi l'influence des impuretés, du degré d'alliage, de la déformation à froid, des températures de recuit intermédiaire et de déformation à chaud. Pour formuler un système de recuit à basse température, il est nécessaire de mesurer la courbe de variation entre la température de recuit et les propriétés mécaniques, puis de déterminer la plage de températures de recuit en fonction des indicateurs de performance spécifiés dans les spécifications techniques.

2 Trempe

La trempe de l'alliage d'aluminium est également appelée traitement de solution, qui consiste à dissoudre autant d'éléments d'alliage du métal que possible en tant que deuxième phase dans la solution solide par chauffage à haute température, suivi d'un refroidissement rapide pour inhiber la précipitation de la deuxième phase, obtenant ainsi une solution solide α sursaturée à base d'aluminium, qui est bien préparée pour le prochain traitement de vieillissement.

L'obtention d'une solution solide α sursaturée repose sur le principe que la solubilité de la seconde phase de l'alliage dans l'aluminium doit augmenter significativement avec la température, faute de quoi le traitement en solution solide ne peut être réalisé. La plupart des éléments d'alliage de l'aluminium peuvent former un diagramme de phases eutectiques présentant cette caractéristique. Prenons l'exemple de l'alliage Al-Cu : la température eutectique est de 548 °C et la solubilité du cuivre dans l'aluminium à température ambiante est inférieure à 0,1 %. Chauffé à 548 °C, sa solubilité atteint 5,6 %. Par conséquent, les alliages Al-Cu contenant moins de 5,6 % de cuivre entrent dans la zone monophasique α lorsque la température de chauffage dépasse sa ligne de solvus. Autrement dit, la seconde phase CuAl2 est complètement dissoute dans la matrice et une solution solide α sursaturée unique peut être obtenue après trempe.

La trempe est l'opération de traitement thermique la plus importante et la plus exigeante pour les alliages d'aluminium. L'essentiel est de sélectionner la température de chauffage de trempe appropriée et d'assurer une vitesse de refroidissement suffisante, ainsi que de contrôler rigoureusement la température du four et de réduire la déformation de trempe.

Le principe de sélection de la température de trempe consiste à augmenter au maximum la température de chauffage de trempe tout en évitant une surchauffe de l'alliage d'aluminium et une croissance excessive des grains, afin d'augmenter la sursaturation de la solution solide α et la résistance après vieillissement. En général, le four de chauffage des alliages d'aluminium exige une précision de contrôle de la température de ± 3 °C, et la circulation forcée de l'air dans le four assure l'homogénéité de la température.

La surchauffe des alliages d'aluminium est causée par la fusion partielle de composants à bas point de fusion, tels que les eutectiques binaires ou multi-éléments. Cette surchauffe entraîne non seulement une diminution des propriétés mécaniques, mais a également un impact important sur la résistance à la corrosion de l'alliage. Par conséquent, une fois surchauffe, un alliage d'aluminium ne peut être éliminé et doit être mis au rebut. La température réelle de surchauffe d'un alliage d'aluminium dépend principalement de sa composition et de sa teneur en impuretés, ainsi que de son état de transformation. La température de surchauffe des produits ayant subi une déformation plastique est plus élevée que celle des pièces moulées. Plus la déformation est importante, plus les composants à bas point de fusion hors d'équilibre se dissolvent facilement dans la matrice lorsqu'ils sont chauffés, ce qui augmente la température réelle de surchauffe.

La vitesse de refroidissement lors de la trempe d'un alliage d'aluminium a un impact significatif sur sa capacité de renforcement au vieillissement et sa résistance à la corrosion. Lors de la trempe des alliages LY12 et LC4, il est nécessaire de veiller à ce que la solution solide α ne se décompose pas, notamment dans la zone de température sensible de 290 à 420 °C, et une vitesse de refroidissement suffisamment élevée est requise. La vitesse de refroidissement est généralement supérieure à 50 °C/s, et pour l'alliage LC4, elle doit atteindre ou dépasser 170 °C/s.

Le milieu de trempe le plus couramment utilisé pour les alliages d'aluminium est l'eau. Les pratiques de production montrent que plus la vitesse de refroidissement est élevée pendant la trempe, plus les contraintes et déformations résiduelles du matériau ou de la pièce trempée sont importantes. Par conséquent, pour les petites pièces de formes simples, la température de l'eau peut être légèrement inférieure, généralement de 10 à 30 °C, et ne doit pas dépasser 40 °C. Pour les pièces de formes complexes et présentant de grandes différences d'épaisseur de paroi, la température de l'eau peut parfois être portée à 80 °C afin de réduire les déformations et les fissures de trempe. Cependant, il convient de noter que l'augmentation de la température de l'eau du bac de trempe entraîne une diminution de la résistance mécanique et de la résistance à la corrosion du matériau.

3. Vieillissement

3.1 Transformation organisationnelle et changements de performance au cours du vieillissement

La solution solide α sursaturée obtenue par trempe est une structure instable. Lorsqu'elle est chauffée, elle se décompose et se transforme en une structure d'équilibre. Prenons l'exemple de l'alliage Al-4Cu : sa structure d'équilibre devrait être α+CuAl2 (phase θ). Lorsque la solution solide α sursaturée monophasée après trempe est chauffée pour le vieillissement, si la température est suffisamment élevée, la phase θ précipitera directement. Sinon, la précipitation se fera par étapes, c'est-à-dire qu'après quelques étapes de transition intermédiaires, la phase d'équilibre finale CuAl2 peut être atteinte. La figure ci-dessous illustre les caractéristiques de la structure cristalline de chaque étape de précipitation au cours du processus de vieillissement de l'alliage Al-Cu. La figure a. représente la structure du réseau cristallin à l'état trempé. À ce stade, il s'agit d'une solution solide α sursaturée monophasée, et les atomes de cuivre (points noirs) sont répartis uniformément et aléatoirement dans le réseau matriciel d'aluminium (points blancs). Figure b. Cette figure montre la structure du réseau au début de la précipitation. Les atomes de cuivre commencent à se concentrer dans certaines zones du réseau matriciel pour former une zone de Guinier-Preston, appelée zone GP. Cette zone GP est extrêmement petite et discoïde, avec un diamètre d'environ 5 à 10 μm et une épaisseur de 0,4 à 0,6 nm. Le nombre de zones GP dans la matrice est extrêmement élevé et la densité de distribution peut atteindre 10¹⁷ à 10¹⁸ cm-³. La structure cristalline de la zone GP est identique à celle de la matrice ; les deux sont cubiques à faces centrées et l'interface avec la matrice est cohérente. Cependant, la taille des atomes de cuivre étant inférieure à celle des atomes d'aluminium, leur enrichissement entraîne un rétrécissement du réseau cristallin à proximité de cette zone, ce qui entraîne une distorsion du réseau.

Schéma des changements de structure cristalline de l'alliage Al-Cu au cours du vieillissement

Figure a. État trempé, solution solide α monophasique, les atomes de cuivre (points noirs) sont répartis uniformément ;

Figure b. Au début du vieillissement, la zone GP se forme ;

Figure c. Au stade tardif du vieillissement, une phase de transition semi-cohérente se forme ;

Figure d. Vieillissement à haute température, précipitation de la phase d'équilibre incohérente

La zone GP est le premier produit de pré-précipitation qui apparaît lors du vieillissement des alliages d'aluminium. L'allongement du temps de vieillissement, notamment l'augmentation de la température, entraîne également la formation d'autres phases de transition intermédiaires. Dans l'alliage Al-4Cu, les phases θ” et θ' suivent la zone GP, et la phase d'équilibre CuAl2 est finalement atteinte. θ” et θ' sont toutes deux des phases de transition de la phase θ. La structure cristalline est un réseau carré, mais la constante de réseau est différente. La taille de θ est plus grande que celle de la zone GP, toujours en forme de disque, avec un diamètre d'environ 15 à 40 nm et une épaisseur de 0,8 à 2,0 nm. Elle conserve une interface cohérente avec la matrice, mais le degré de distorsion du réseau est plus important. Français Lors de la transition de la phase θ” à la phase θ', la taille a augmenté à 20~600 nm, l'épaisseur est de 10~15 nm, et l'interface cohérente est également partiellement détruite, devenant une interface semi-cohérente, comme le montre la Figure c. Le produit final de la précipitation de vieillissement est la phase d'équilibre θ (CuAl2), à ce moment l'interface cohérente est complètement détruite et devient une interface non cohérente, comme le montre la Figure d.

Selon la situation ci-dessus, l'ordre de précipitation du vieillissement de l'alliage Al-Cu est le suivant : αs→α+GP zone→α+θ”→α+θ'→α+θ. Le stade de la structure de vieillissement dépend de la composition de l'alliage et des spécifications de vieillissement. Il existe souvent plusieurs produits de vieillissement dans un même état. Plus la température de vieillissement est élevée, plus la structure est proche de l'équilibre.

Lors du vieillissement, la zone GP et la phase de transition précipitées de la matrice sont de petite taille, très dispersées et difficilement déformables. Parallèlement, elles provoquent une distorsion du réseau matriciel et forment un champ de contrainte qui freine considérablement le mouvement des dislocations, augmentant ainsi la résistance à la déformation plastique de l'alliage et améliorant sa résistance et sa dureté. Ce phénomène de durcissement par vieillissement est appelé durcissement par précipitation. La figure ci-dessous illustre l'évolution de la dureté de l'alliage Al-4Cu pendant la trempe et le vieillissement sous forme de courbe. L'étape I de la figure représente la dureté de l'alliage à l'état initial. En raison des différents historiques de travail à chaud, la dureté à l'état initial varie, généralement HV = 30 à 80. Après chauffage à 500 °C et trempe (étape II), tous les atomes de cuivre sont dissous dans la matrice pour former une solution solide α sursaturée monophasée de HV = 60, soit deux fois plus dure que la dureté à l'état recuit (HV = 30). Il s'agit du résultat du durcissement par solution solide. Après trempe, l'alliage est placé à température ambiante et sa dureté augmente continuellement grâce à la formation continue de zones GP (stade III). Ce processus de durcissement par vieillissement à température ambiante est appelé vieillissement naturel.

I—état originel;

II — état de solution solide ;

III—vieillissement naturel (zone GP) ;

IVa — traitement de régression à 150~200℃ (redissous dans la zone GP) ;

IVb — vieillissement artificiel (phase θ”+θ') ;

V—survieillissement (phase θ”+θ')

Au stade IV, l'alliage est chauffé à 150 °C pour le vieillissement, et l'effet de durcissement est plus marqué que celui du vieillissement naturel. À ce stade, le produit de précipitation est principalement la phase θ”, qui présente l'effet de renforcement le plus important dans les alliages Al-Cu. Si la température de vieillissement est encore augmentée, la phase de précipitation passe de la phase θ” à la phase θ', l'effet de durcissement s'affaiblit et la dureté diminue, entrant ainsi dans le stade V. Tout traitement de vieillissement nécessitant un chauffage artificiel est appelé vieillissement artificiel, et les stades IV et V appartiennent à cette catégorie. Si la dureté atteint la valeur maximale que l'alliage peut atteindre après vieillissement (c'est-à-dire le stade IVb), ce vieillissement est appelé vieillissement maximal. Si la valeur maximale de dureté n'est pas atteinte, on parle de sous-vieillissement ou de vieillissement artificiel incomplet. Si la valeur maximale est dépassée et que la dureté diminue, on parle de survieillissement. Le traitement de vieillissement de stabilisation fait également partie du survieillissement. La zone GP formée lors du vieillissement naturel est très instable. Lorsqu'elle est chauffée rapidement à une température plus élevée, par exemple environ 200 °C, et maintenue à température pendant une courte période, la zone GP se dissout à nouveau dans la solution solide α. Si elle est refroidie rapidement (trempe) avant que d'autres phases de transition, telles que θ” ou θ', ne précipitent, l'alliage peut retrouver son état de trempe initial. Ce phénomène est appelé « régression », qui correspond à la baisse de dureté indiquée par la ligne pointillée au stade IVa sur la figure. L'alliage d'aluminium régressé conserve la même aptitude au durcissement par vieillissement.

Le durcissement structural est la base du développement d'alliages d'aluminium aptes au traitement thermique. Son aptitude au durcissement structural est directement liée à la composition de l'alliage et au système de traitement thermique. Les alliages binaires Al-Si et Al-Mn ne présentent pas d'effet de durcissement structural par précipitation, car la phase d'équilibre est directement précipitée lors du vieillissement. Ce sont des alliages d'aluminium non aptes au traitement thermique. Bien que les alliages Al-Mg puissent former des zones GP et des phases de transition β', leur aptitude au durcissement structural par précipitation est limitée aux alliages à haute teneur en magnésium. Les alliages Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si et Al-Zn-Mg-Cu présentent une forte aptitude au durcissement structural par précipitation dans leurs zones GP et leurs phases de transition, et constituent actuellement les principaux systèmes d'alliages aptes au traitement thermique et au renforcement.

3.2 Vieillissement naturel

En général, les alliages d'aluminium durcissables par traitement thermique présentent un vieillissement naturel après trempe. Ce vieillissement est dû à la zone GP. Ce procédé est largement utilisé dans les alliages Al-Cu et Al-Cu-Mg. Le vieillissement naturel des alliages Al-Zn-Mg-Cu est trop long, nécessitant souvent plusieurs mois pour atteindre un état stable ; c'est pourquoi ce procédé n'est pas utilisé.

Comparé au vieillissement artificiel, après vieillissement naturel, la limite d'élasticité de l'alliage est plus faible, mais la plasticité et la ténacité sont meilleures, et la résistance à la corrosion est plus élevée. La situation de l'aluminium ultra-dur du système Al-Zn-Mg-Cu est légèrement différente. La résistance à la corrosion après vieillissement artificiel est souvent meilleure qu'après vieillissement naturel.

3.3 Vieillissement artificiel

Après un traitement de vieillissement artificiel, les alliages d'aluminium atteignent souvent une limite d'élasticité maximale (principalement grâce au renforcement de la phase de transition) et une meilleure stabilité structurelle. L'aluminium extra-dur, l'aluminium forgé et l'aluminium moulé sont principalement vieillis artificiellement. La température et la durée de vieillissement ont une influence importante sur les propriétés de l'alliage. La température de vieillissement se situe généralement entre 120 et 190 °C, et la durée de vieillissement ne dépasse pas 24 heures.

Outre le vieillissement artificiel en une seule étape, les alliages d'aluminium peuvent également bénéficier d'un vieillissement artificiel gradué. Autrement dit, deux chauffages ou plus sont effectués à des températures différentes. Par exemple, l'alliage LC4 peut être vieilli à 115-125 °C pendant 2 à 4 h, puis à 160-170 °C pendant 3 à 5 h. Le vieillissement progressif permet non seulement de réduire considérablement le temps de vieillissement, mais aussi d'améliorer la microstructure des alliages Al-Zn-Mg et Al-Zn-Mg-Cu, ainsi que d'améliorer significativement la résistance à la corrosion sous contrainte, la résistance à la fatigue et la ténacité à la rupture, sans pour autant altérer les propriétés mécaniques.