Une approche multimodale de l'évolution de la microstructure et de la réponse mécanique de l'alliage AZ31B Mg déposé par friction additive

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13234 (2022) Citer cet article

2781 Accès

5 citations

Détails des métriques

Les travaux en cours ont exploré la fabrication additive à l’état solide de l’alliage AZ31B-Mg en utilisant le dépôt additif par friction-malaxage. Des échantillons avec des densités relatives ≥ 99,4 % ont été produits de manière additive. L'évolution spatiale et temporelle de la température lors du dépôt additif par friction et agitation a été prédite à l'aide d'un modèle de processus informatique multicouche. L'évolution microstructurale dans les échantillons fabriqués de manière additive a été examinée par diffraction électronique par rétrodiffusion et par microscopie électronique à transmission à haute résolution. Les propriétés mécaniques des échantillons d'additifs ont été évaluées par élastographie non destructive du module de volume effectif et par des essais de traction uni-axiaux destructifs. Les échantillons produits de manière additive ont connu une évolution de la texture principalement basale sur la surface supérieure et une augmentation marginale de la taille des grains par rapport à la matière première. La microscopie électronique à transmission a mis en lumière la précipitation à fine échelle de Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\) dans les échantillons de matières premières et d'additifs. Fraction de Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\) réduite dans les échantillons produits de manière additive par rapport à la matière première. Le module dynamique global des échantillons d’additifs était légèrement inférieur à celui de la matière première. Il y a eu une réduction de \(\sim\,\) 30 MPa de la limite d'élasticité de 0,2 % et une réduction de 10 à 30 MPa de la résistance à la traction ultime pour les échantillons produits de manière additive par rapport à la matière première. L’allongement des échantillons d’additifs était inférieur de 4 à 10 % à celui de la matière première. Une telle réponse de propriété pour l’alliage AZ31B-Mg déposé par friction et malaxage additif a été réalisée grâce à une évolution distincte de la microstructure à plusieurs échelles induite par la thermocinétique.

Les alliages de magnésium trouvent des applications dans les industries automobile, aérospatiale et biomédicale en raison de leur résistance spécifique élevée résultant de la faible densité de ces matériaux1,2,3,4,5. Les alliages de magnésium présentent également une excellente biocompatibilité6,7 et une excellente capacité de blindage électromagnétique8. Cependant, les alliages de magnésium ont tendance à s'oxyder lors de la coulée et développent une texture forte lors de la déformation, limitant ainsi le traitement des alliages de magnésium à l'aide de méthodes conventionnelles telles que la coulée et le travail à froid4,9. Par conséquent, les chercheurs ont exploré des stratégies pour surmonter ces limitations en utilisant des voies de fabrication additive (FA) telles que la fabrication additive par faisceau laser (LBAM), la fabrication additive à arc filaire (WAAM) et le dépôt additif par friction-malaxage (AFSD)10,11,12. Les techniques LBAM et WAAM sont basées sur la fusion de la matière alimentée qui se présente sous forme de poudre ou de fil. Les techniques LBAM et WAAM dépendent de la fusion et de la consolidation du matériau précurseur. D’un autre côté, l’AFSD est une méthode à l’état solide. La matière première utilisée pendant l'AFSD se présente sous la forme de bâtonnets ou de copeaux disponibles dans le commerce, évitant ainsi l'utilisation de poudre13. Ceci est particulièrement important pour le Mg car sa poudre est hautement pyrophorique14.

L'AFSD fonctionne sur un principe similaire au traitement par friction-malaxage (FSP). Cependant, au lieu d'un outil solide utilisé pour le FSP, un outil creux non consommable est utilisé pendant l'AFSD. Le matériau d'alimentation est alimenté à travers l'outil rotatif creux qui se déforme plastiquement en raison de la chaleur de friction générée entre l'outil, le matériau d'alimentation et le substrat. Un tel frottement entraîne un ramollissement du matériau alimenté suivi de son extrusion sous l'outil. L'outil est ensuite parcouru pour le dépôt ultérieur d'une couche. L'AFSD a évolué récemment avec le développement de machines AM telles que MELD®. Il a la capacité de produire de grands composants entièrement denses avec des géométries complexes15,16. La fabrication additive d’alliages ferreux17 et non ferreux18,19,20 conventionnels a été explorée par l’AFSD.

Jusqu'à présent, très peu de rapports ont été publiés concernant l'AFSD des alliages de magnésium21,22,23. Les travaux de Calvert ont démontré un dépôt réussi de l’alliage WE43 Mg via ASFD, mais ils n’ont pas réussi à expliquer l’évolution des microstructures en corrélation avec les attributs du processus21. Robinson et. Al. démontré l'AFSD de l'AZ31B-Mg et examiné l'évolution des propriétés microstructurales et mécaniques22. Les résultats des tests de traction ont montré qu'il y avait une baisse de \(\sim\) 20 % de la limite d'élasticité de 0,2 % (0,2 % PS) et une résistance à la traction ultime (UTS) identique pour l'AZ31B-Mg traité par AFSD par rapport au matériau AZ31B-Mg corroyé. . Ce travail a fourni une explication et une justification limitées derrière une telle diminution des propriétés mécaniques. Dans un autre effort, Williams et. Al. alliage WE43 Mg déposé via AFSD23. Bien que ces auteurs aient rapporté une réduction de \(\sim\) 22 fois la taille des grains pour le matériau fabriqué par l'AFSD par rapport à la matière première, ils ont tout de même observé une réduction de \(\sim\) 80 MPa dans 0,2 % de PS, \(\sim \) Réduction de 100 MPa de l'UTS et réduction de 11 % de l'allongement par rapport au matériau d'alimentation. Bien que ce travail ait examiné diverses conditions de traitement au cours de l'AFSD, il manquait d'explications physiques sur l'évolution des propriétés structurelles de l'alliage AFSD WE43 Mg.