1. Facteurs macroscopiques contribuant à la formation de fissures
1.1 Lors de la coulée semi-continue, l'eau de refroidissement est projetée directement sur la surface du lingot, créant un fort gradient de température à l'intérieur du lingot. Il en résulte une contraction inégale entre les différentes zones, provoquant des contraintes mutuelles et générant des contraintes thermiques. Sous certains champs de contraintes, ces contraintes peuvent entraîner la fissuration du lingot.
1.2 En production industrielle, la fissuration des lingots se produit souvent dès la première coulée ou prend la forme de microfissures qui se propagent ensuite lors du refroidissement et peuvent s'étendre à l'ensemble du lingot. Outre la fissuration, d'autres défauts, tels que des claquages à froid, des gauchissements et des accrochages, peuvent également survenir dès la première coulée, ce qui en fait une phase critique du processus de coulée.
1.3 La sensibilité du moulage direct à la fissuration à chaud est considérablement influencée par la composition chimique, les ajouts d'alliage maître et la quantité d'affineurs de grains utilisés.
1.4 La sensibilité des alliages à la fissuration à chaud est principalement due aux contraintes internes qui induisent la formation de vides et de fissures. Leur formation et leur répartition sont déterminées par les éléments d'alliage, la qualité métallurgique du bain de fusion et les paramètres de coulée semi-continue. Plus précisément, les lingots de grande taille d'alliages d'aluminium de la série 7xxx sont particulièrement sujets à la fissuration à chaud en raison de la multiplicité des éléments d'alliage, des larges plages de solidification, des contraintes de coulée élevées, de la ségrégation par oxydation des éléments d'alliage, d'une qualité métallurgique relativement médiocre et d'une faible formabilité à température ambiante.
1.5 Des études ont montré que les champs électromagnétiques et les éléments d’alliage (y compris les affineurs de grains, les principaux éléments d’alliage et les oligo-éléments) affectent de manière significative la microstructure et la sensibilité à la fissuration à chaud des alliages de la série 7xxx coulés en semi-continu.
1.6 De plus, en raison de la composition complexe de l'alliage d'aluminium 7050 et de la présence d'éléments facilement oxydables, la masse fondue a tendance à absorber davantage d'hydrogène. Ceci, combiné aux inclusions d'oxyde, entraîne la coexistence de gaz et d'inclusions, ce qui entraîne une teneur élevée en hydrogène dans la masse fondue. La teneur en hydrogène est devenue un facteur clé affectant les résultats d'inspection, le comportement à la rupture et la tenue en fatigue des lingots usinés. Par conséquent, compte tenu du mécanisme de présence d'hydrogène dans la masse fondue, il est nécessaire d'utiliser des milieux d'adsorption et des équipements de filtration-affinage pour éliminer l'hydrogène et les autres inclusions de la masse fondue et obtenir un alliage hautement purifié.
2. Causes microscopiques de la formation de fissures
2.1 La fissuration à chaud du lingot est principalement déterminée par le taux de retrait de solidification, la vitesse d'alimentation et la taille critique de la zone pâteuse. Si la taille de la zone pâteuse dépasse un seuil critique, une fissuration à chaud se produit.
2.2 En général, le processus de solidification des alliages peut être divisé en plusieurs étapes : alimentation en vrac, alimentation interdendritique, séparation des dendrites et pontage des dendrites.
2.3 Lors de la séparation des dendrites, les bras de dendrites se resserrent et l'écoulement du liquide est limité par la tension superficielle. La perméabilité de la zone pâteuse est réduite, et un retrait de solidification et des contraintes thermiques importants peuvent entraîner une microporosité, voire des fissures à chaud.
2.4 Au stade de pontage des dendrites, seule une faible quantité de liquide subsiste aux jonctions triples. À ce stade, le matériau semi-solide présente une résistance et une plasticité considérables, et le fluage à l'état solide est le seul mécanisme permettant de compenser le retrait de solidification et les contraintes thermiques. Ces deux stades sont les plus susceptibles de former des vides de retrait ou des fissures à chaud.
3. Préparation de lingots de haute qualité en fonction des mécanismes de formation de fissures
3.1 Les lingots de grandes dimensions présentent souvent des fissures de surface, une porosité interne et des inclusions, qui ont un impact important sur le comportement mécanique lors de la solidification de l'alliage.
3.2 Les propriétés mécaniques de l'alliage pendant la solidification dépendent en grande partie des caractéristiques structurelles internes, notamment la taille des grains, la teneur en hydrogène et les niveaux d'inclusion.
3.3 Pour les alliages d'aluminium à structure dendritique, l'espacement des bras de dendrites secondaires (SDAS) affecte significativement les propriétés mécaniques et le processus de solidification. Un SDAS plus fin entraîne une formation de porosité plus précoce et des fractions de porosité plus élevées, réduisant ainsi la contrainte critique pour la fissuration à chaud.
3.4 Les défauts tels que les vides de retrait interdendritiques et les inclusions affaiblissent considérablement la ténacité du squelette solide et réduisent considérablement la contrainte critique requise pour la fissuration à chaud.
3.5 La morphologie des grains est un autre facteur microstructural critique influençant le comportement à la fissuration à chaud. Lorsque les grains passent de dendrites colonnaires à des grains globulaires équiaxes, l'alliage présente une température de rigidité plus basse et une meilleure perméabilité aux liquides interdendritiques, ce qui inhibe la croissance des pores. De plus, des grains plus fins peuvent supporter des déformations et des vitesses de déformation plus importantes et présentent des chemins de propagation des fissures plus complexes, réduisant ainsi la tendance globale à la fissuration à chaud.
3.6 En pratique, l'optimisation des techniques de manipulation et de coulée de la matière fondue, notamment le contrôle rigoureux des inclusions et de la teneur en hydrogène, ainsi que de la structure des grains, peut améliorer la résistance interne des lingots à la fissuration à chaud. Combinées à une conception optimisée de l'outillage et des méthodes de traitement, ces mesures permettent de produire des lingots à haut rendement, à grande échelle et de haute qualité.
4. Affinage du grain du lingot
L'alliage d'aluminium 7050 utilise principalement deux types d'affineurs de grains : Al-5Ti-1B et Al-3Ti-0,15C. Des études comparatives sur l'application en ligne de ces affineurs montrent :
4.1 Les lingots affinés avec de l'Al-5Ti-1B présentent des tailles de grains nettement plus petites et une transition plus uniforme du bord au centre du lingot. La couche à gros grains est plus fine et l'effet global d'affinage du grain est plus marqué sur l'ensemble du lingot.
4.2 Lorsque des matières premières préalablement raffinées avec de l'Al-3Ti-0,15C sont utilisées, l'effet d'affinage du grain de l'Al-5Ti-1B est diminué. De plus, augmenter l'ajout d'Al-Ti-B au-delà d'un certain point n'améliore pas proportionnellement l'affinage du grain. Par conséquent, les ajouts d'Al-Ti-B doivent être limités à 2 kg/t maximum.
4.3 Les lingots affinés avec de l'Al-3Ti-0,15C sont principalement constitués de grains fins, globulaires et équiaxes. La granulométrie est relativement uniforme sur toute la largeur de la brame. Un ajout de 3 à 4 kg/t d'Al-3Ti-0,15C permet de stabiliser efficacement la qualité du produit.
4.4 Notamment, lorsque l'Al-5Ti-1B est utilisé dans l'alliage 7050, les particules de TiB₂ ont tendance à se séparer vers le film d'oxyde à la surface du lingot lors d'un refroidissement rapide, formant des amas qui entraînent la formation de scories. Lors de la solidification du lingot, ces amas se rétractent vers l'intérieur pour former des plis en forme de rainures, modifiant la tension superficielle du bain. Cela augmente la viscosité du bain et réduit sa fluidité, ce qui favorise la formation de fissures à la base du moule et aux angles des faces larges et étroites du lingot. Cela augmente considérablement la tendance à la fissuration et a un impact négatif sur le rendement du lingot.
4.5 Compte tenu du comportement de formage de l'alliage 7050, de la structure granulaire des lingots nationaux et internationaux similaires et de la qualité des produits finis transformés, l'Al-3Ti-0,15C est préféré comme affineur de grains en ligne pour la coulée de l'alliage 7050, à moins que des conditions spécifiques n'exigent le contraire.
5. Comportement d'affinage des grains de Al-3Ti-0,15C
5.1 Lorsque l'affineur de grains est ajouté à 720 °C, les grains sont principalement constitués de structures équiaxes avec quelques sous-structures et sont de taille la plus fine.
5.2 Si la fusion est maintenue trop longtemps après l'ajout du raffineur (par exemple, au-delà de 10 minutes), la croissance dendritique grossière domine, ce qui donne des grains plus grossiers.
5.3 Lorsque la quantité ajoutée de raffineur de grains est de 0,010 % à 0,015 %, des grains fins équiaxes sont obtenus.
5.4 Sur la base du procédé industriel de l'alliage 7050, les conditions optimales d'affinage du grain sont les suivantes : température d'ajout autour de 720 °C, temps entre l'ajout et la solidification finale contrôlé dans les 20 minutes et quantité d'affinage d'environ 0,01 à 0,015 % (3 à 4 kg/t d'Al-3Ti-0,15C).
5.5 Malgré les variations de taille des lingots, le temps total entre l'ajout du raffineur de grains après la sortie de la masse fondue, à travers le système en ligne, l'auge et le moule, jusqu'à la solidification finale est généralement de 15 à 20 minutes.
5.6 En milieu industriel, augmenter la quantité d'affinant au-delà de 0,01 % de Ti n'améliore pas significativement l'affinage du grain. Au contraire, un ajout excessif entraîne un enrichissement en Ti et en C, augmentant ainsi le risque de défauts du matériau.
5.7 Des essais effectués à différents points (entrée et sortie de dégazage et cuve de coulée) montrent des différences minimes de granulométrie. Cependant, l'ajout de l'affineur directement à la cuve de coulée, sans filtration, augmente le risque de défauts lors du contrôle par ultrasons des matériaux traités.
5.8 Pour assurer un raffinage uniforme du grain et éviter l'accumulation de raffineur, le raffineur de grain doit être ajouté à l'entrée du système de dégazage.
Date de publication : 16 juillet 2025
