ALLIAGES D’ALUMINIUM

IV.3.2.1. Critères mécaniques ou d’élaboration

Les propriétés de l’aluminium non allié sont très faibles. Les industriels sont donc conduits, pour augmenter sa limite d’élasticité et sa résistance à la rupture, à lui ajouter des éléments entrant en solution solide ou formant des précipités intermétalliques. L’amélioration des techniques de métallurgie, et notamment des traitements thermiques spécifiques de l’aluminium, a diversifié les alliages disponibles pour les adapter au mieux aux utilisations envisagées.

Les alliages choisis par E.A.D.S. pour cette étude l’ont été d’après des critères essentiellement mécaniques ou d’élaboration. Les propriétés requises du métal pour les applications aéronautiques sont une bonne coulabilité, la ductilité et une résistance à la rupture élevée.

(1) l’alliage 7475 est en l’occurrence déjà utilisé, après traitements thermiques, pour des applications aéronautiques, du fait de sa légèreté, de son aptitude à la mise en forme, à l’usinage et aux traitements de surface, ainsi que de ses caractéristiques mécaniques supérieures, liées au durcissement structural.

(2) l’alliage 357 présente une bonne coulabilité à faible température, soit un gain en terme de coût d’élaboration. Sa résistance mécanique moyenne est atteinte grâce à la précipitation des phases Mg₂Si.

(3) l’alliage 520, malgré sa coulabilité médiocre, est un candidat potentiel du fait de sa grande ductilité et de son bas point de fusion.

(4) l’aluminium pur 1099 présente les plus faibles propriétés mécaniques, même si celles-ci peuvent être améliorées par écrouissage.

Le tableau IV.4 récapitule les principales propriétés mécaniques de ces alliages.

Alliage Rigidité Module d’Young

(GPa)

Résistance mécanique Limite élastique (traction)

(MPa)

Ductilité Allongement à la rupture (traction) (%)

7475 72 550 14

357 72 300 6

520 66 330 16

1099 62 45 5

Tableau IV.4 : Principales propriétés mécaniques des alliages d’aluminium proposés comme matrice de matériau composite à renforts fibreux de carbone. [Matweb]

Ces alliages d’aluminium peuvent alors être hiérarchisés selon leurs propriétés mécaniques :

7475 > 357 > 520 > 1099

Matweb, site internet sur les données fournisseurs des matériaux, www.matweb.com

IV.3.2.2. Critères physico-chimiques

Les problèmes de compatibilité thermochimique entre les fibres de carbone et l’aluminium impliquent le développement de procédés d’élaboration complexes et le choix de constituants à fort potentiel. Une forte réactivité existe en effet entre le carbone et l’aluminium. La formation du carbure d’aluminium Al4C3 qui en résulte a pour conséquence une dégradation très nette des performances mécaniques.

Pour pallier cette incompatibilité chimique, les fibres de carbone doivent être choisies très graphitées et l’alliage d’aluminium avec un bas point de fusion. Les fibres à forte graphitation sont en effet les moins réactives, du fait de l’alignement quasi-parfait des plans de carbone selon leur axe principal. Les alliages à bas point de fusion permettent de diminuer la température au contact des fibres durant l’élaboration du matériau composite et donc de réduire la diffusion du carbone dans l’aluminium pour former le carbure d’aluminium.

Les alliages d’aluminium sont classés selon leur point de fusion et leur coulabilité : 357 > 7475 > 520 > 1099

L’alliage aluminium-silicium présente en outre l’avantage de la solidification préférentielle du silicium autour des fibres de carbone durant l’élaboration, qui agit alors comme une pseudo-barrière naturelle de diffusion chimique, si la précipitation est homogène autour de toute la fibre.

IV.3.2.3. Critères électrochimiques

Les alliages d’aluminium non renforcés proposés par E.A.D.S. ont fait l’objet de nombreuses études de tenue à la corrosion et leur résistance relative peut être évaluée d’après la littérature [Vargel,1999 ; Dorlot, 1986].

(1) l’alliage 7475 non traité thermiquement possède une résistance à la corrosion relativement médiocre, notamment généralisée, du fait de la présence de cuivre. Le chrome (< 0,3%) améliore sa résistance à la corrosion sous contrainte. Un double revenu permet d’optimiser les propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion des alliages de la série 7000 et d’obtenir des métaux performants en milieu agressif.

(2) l’alliage de fonderie 357 présente une bonne résistance à la corrosion.

(3) l’alliage 520 fait figure d’exception parmi les alliages de fonderie de la série 500. Leur résistance à la corrosion est en effet présentée comme la plus élevée. Cependant, l’ajout de plus de 6%mass. de magnésium à l’aluminium induit une précipitation importante de la phase Al3Mg2 aux joints de grains, ce qui réduit fortement la résistance à la corrosion de l’alliage.

(4) la résistance à la corrosion de l’aluminium pur 1099 est bonne, du fait de la couche passive d’alumine à sa surface.

Dorlot, J.M., Baïlon, J.P., Masounave, J. (1986). Des Matériaux. Ed. EEPM.

Vargel, C. (1999). Corrosion de l’aluminium. Ed. Dunod.

Les essais de corrosion sur matériaux composites à matrice d’alliage d’aluminium et renforts de carbone indiquent des tendances dans leur comportement en milieu chloruré.

A l’échelle de l’interface fibre/matrice, l’aluminium pur et l’alliage 520 réduisent le plus la corrosion galvanique, suivi par l’alliage 357. L’alliage 7475 semble sensible à la corrosion par crevasse et n’est donc pas comparé aux autres alliages, puisqu’il délocalise la corrosion trop fortement de l’interface vers la matrice.

Les essais en brouillard salin effectués par l’Aérospatiale-Matra indiquent un tout autre comportement à l’échelle globale du matériau. Les matrices d’alliages 520 et 7475 sont sujettes à une dissolution quasi-totale en un mois, alors que, dans le même temps, le matériau composite à base d’alliage 357 ne présente qu’un léger gonflement entre les nappes tissées de fibres.

Un classement des matrices d’alliage d’aluminium, selon la résistance à la corrosion du matériau composite et du métal seul, est déduit des informations présentées ci-dessus :

357 > 7475 > 1099 > 520

La hiérarchisation proposée des alliages d’aluminium sur des critères mécaniques, physico-chimiques et électrochimiques indique que le matériau composite à renforts fibreux K139, susceptible de résister le plus à la corrosion, serait à matrice 357. Cet alliage possède en effet une bonne coulabilité et un bas point de fusion, ainsi qu’une rigidité et une résistance mécanique moyennes, qui sont compensées par une bonne résistance à la corrosion.

CONCLUSION

L’origine industrielle des matériaux composites carbone/aluminium de cette étude se traduit par une microstructure complexe, tant de l’alliage matriciel que de l’arrangement des renforts dans le métal. L’influence de chaque paramètre microstructural sur la tenue à la corrosion du matériau est cependant étudiée indépendamment, afin d’estimer son importance relative dans le processus de dégradation.

L’amorçage de la corrosion à l’interface fibre/matrice est contrôlé à l’échelle submicronique, tant par des facteurs électrochimiques, comme la différence de potentiel entre les deux matériaux couplés, que par des facteurs microstructuraux, comme les hétérogénéités de surface. Le suivi in situ avec l’AFM d’un essai de corrosion indique en effet que les premières traces de corrosion apparaissent sous forme de microcavités réparties apparemment aléatoirement autour de la fibre. L’hydrolyse des carbures d’aluminium issus de l’élaboration et la rupture locale du film passif d’alumine au contact de la fibre sont proposées comme origine de cet amorçage localisé de la corrosion à l’interface fibre/matrice.

Les essais d’immersion en solution chlorurée de plusieurs matériaux composites, différant par la nature de leur matrice ou les sections de fibres exposées ont constitués la base de l’étude de l’influence des paramètres microstructuraux sur la propagation de la corrosion à l’interface fibre/matrice et sur le matériau dans sa globalité.

Le comportement en milieu salin des différents matériaux composites étudiés, combiné à certains éléments du cahier des charges du constructeur, permet de choisir le matériau C/357 comme le plus apte, parmi ceux qui ont été réalisés par le partenaire industriel.

CHAPITRE V

AMELIORATION DE LA TENUE A LA CORROSION DES