Les alliages d’aluminium à faible coefficient de dilatation thermique (CTE)

Les alliages d’aluminium à faible coefficient de dilatation thermique (CTE) 

Il est connu qu’en Amérique du Nord, les alliages d’aluminium soient divisés en différentes séries selon l’élément d’alliage principal qui le compose.

Les alliages d’aluminium-silicium

Les alliages d’aluminium-silicium trouvés sur le marché sont essentiellement des alliages de coulée hypoeutectiques, eutectiques (12,6 % Si, en masse) ou hypereutectiques dont le contenu en silicium ne dépasse pas 20 %. Utilisés encore aujourd’hui pour le chemisage des blocs-moteurs de l’industrie automobile, ces matériaux se sont transportés dans le monde de l’aéronautique où ils sont utilisés, entre autres, dans la fabrication des moteurs électriques et de cartes électroniques. Les alliages d’aluminium-silicium sont reconnus pour leur bonne coulabilité, leur bon ratio résistance/masse volumique, leur bonne résistance à l’usure et à la corrosion et, surtout, leur faible coefficient de dilatation thermique.

L’addition de silicium à l’aluminium a par contre pour effet important de diminuer l’usinabilité et d’augmentant le taux d’usure des outils de manière importante (ASTM, 2016).

En augmentant la teneur en silicium jusqu’à cette valeur, la température de fusion de l’alliage augmente, celle fusion du silicium étant 2,14 fois supérieure à celle de l’aluminium, ce qui force l’augmentation de la température de coulée et qui améliore du même coup la fluidité de l’aluminium. Lorsque la quantité de silicium atteint 18 %, l’apport de chaleur est contrebalancé par l’apparition de particules de silicium pro eutectique qui viennent interférer avec le mouvement du fluide et rend donc sa coulée difficile, sinon impossible. Ainsi, il apparaît difficile d’ajouter suffisamment de silicium pour obtenir une diminution de 50 % du CTE. Heureusement, l’ajout de silicium n’est pas la seule solution pouvant mener à une diminution du CTE. En effet, une autre technique, le traitement thermique, provoque un effet similaire.

Influence de la microstructure sur le coefficient de dilatation thermique

Ces dernières années ont vu plusieurs auteurs s’intéresser à l’influence de la microstructure d’un alliage sur son comportement lors de variations thermiques. Il est connu que la microstructure d’un alliage affecte de manière importante son comportement mécanique.

Par exemple, un acier trempé contenant 0,55 % de carbone et présentant une structure martensitique aura une dureté de l’ordre de 60-65 HRC, une limite élastique très élevée (environ 705 MPa), mais un faible allongement à la rupture (environ 8 %) alors qu’un même alliage présentant une structure perlitique obtenue par recuit aura une dureté de l’ordre de 15- 40 HRC, une moindre limite élastique (environ 430 MPa), mais une plus grande ductilité (environ 14 %) (Baïlon & Dorlot, 2000). On peut en conclure qu’un même alliage présente des propriétés mécaniques différentes selon sa microstructure. Si ces propriétés sont ainsi affectées par la microstructure, est-il possible que les propriétés physiques le soient aussi ?

La réponse est oui. En 2014, Zhu, Wang et Peng se sont intéressés à la relation entre la microstructure et l’expansion thermique d’un alliage d’aluminium contenant 27 % de silicium (Zhu, Wang, Peng, Liu, & Peng, 2014). Les auteurs ont conclu de leur recherche que le comportement en dilatation thermique d’un alliage d’aluminium est influencé de manière non négligeable par la température de vieillissement auquel il est soumis. Une plus grande température de vieillissement mène ainsi à une relaxation des contraintes internes de la pièce, à une diminution de la quantité de silicium sursaturant la matrice α-Al et au grossissement irrégulier des précipités de silicium, trois effets contribuant à l’augmentation du CTE de l’alliage.

Le contrôle de la microstructure est un enjeu majeur pour tous ceux travaillant dans le domaine de la métallurgie. Comme il a été vu dans la section précédente, la microstructure affecte de manière importante les propriétés d’un alliage. Deux éléments influencent la microstructure d’un alliage : la fraction massique, volumique ou molaire des éléments le constituant, qui déterminera en grande partie les proportions de chaque phase, et le traitement thermique qui lui est administré, qui influencera principalement la quantité, la taille et la forme des grains de la matrice et des précipités.

La constitution d’un alliage : l’élément d’alliage principal

Un alliage peut se définir comme un mélange d’au moins deux éléments du tableau périodique. On parlera d’un alliage métallique si son principal constituant est métallique. Un alliage, comme un corps pur, est un constituant pouvant être défini par des données telles que sa température de fusion ou sa masse volumique, deux choses qui peuvent varier de manière importante en fonction de la quantité d’éléments présents. De la même manière, pour une température donnée, un alliage présentera une microstructure particulière qui, une fois caractérisée, peut aider à retrouver le traitement thermique ou mécanique qu’il a subi. Un outil précieux au métallurgiste est le diagramme d’équilibre binaire qui permet de déterminer, en fonction de la température et de la proportion des deux éléments principaux, les phases liquides et/ou solides présentes à l’état d’équilibre thermodynamique, c’est-à dire à l’état stable. Le graphique suivant représente ce diagramme pour un mélange d’aluminium et de silicium.