Joining of Al-B4C metal matrix composites by laser welding and friction stir welding

Les composites Al-B4C à matrice métallique sont des matériaux importants comme absorbeurs de neutrons dans le stockage et le transport du combustible nucléaire en raison de leur concentration élevée en bore et donc de leur haute capacité d'absorption des neutrons. Toutefois, l'application de ces matériaux est encore limitée en raison, entre autres, de l'absence de techniques d'assemblage appropriées pour bénéficier pleinement des avantages des matériaux. Des problèmes tels que la porosité, la réaction chimique entre la matrice Al et des particules B4C peuvent se produire pendant le soudage par fusion. Par conséquent, la présente étude vise à trouver des techniques de soudage efficaces et fiables pour des composites Al-B4C à matrice métallique. La soudabilité des composites à matrice métallique AA1100-16% B4C (taille moyenne des particules: 11 um) et AA1100-30% B4C (taille moyenne des particules: 15 um) a été évaluée à l'aide du soudage au laser et du soudage par friction malaxage. En comparaison avec les techniques classiques de soudage à l'arc, les zones de fusion pénétrantes et étroites associées au soudage au laser peuvent entraîner des zones affectées par chaleur plus petites, et donc moins de distorsion thermique et de dégradation des propriétés mécaniques. D'autre part, le soudage par friction malaxage, étant un procédé de soudage à l'état solide, est prometteur car il permet d'éviter divers problèmes qui pourraient autrement être rencontrés au cours de soudage par fusion. Pour le soudage au laser sans matériau d'apport, il a été constaté que le plupart de particules B4C ont été décomposées lors du soudage conduisant à la formation de phases AIB2 et AI3BC en forme d'aiguille dans la soudure. Dans ce cas, une efficacité de joint à 63% (UTS) a été obtenue après essai de traction. La variation de puissance de laser de 2 à 4 kW et de la vitesse de soudage de 1 à 2.5 m/min n'a pas d'incidence sur la morphologie en forme d'aiguille. Sur la base de calculs thermodynamiques, le titane a été utilisé comme matériau d'ajout visant à améliorer les propriétés des assemblages. Il a été constaté que l'ajout de Ti avec une feuille de 150 um d'épaisseur a augmenté l'efficacité de joint à 75% en raison de la diminution de la taille et la quantité des phases en forme d'aiguille. L'ajout de Ti sous forme de fil d'apport n'a pas montré une amélioration significative des propriétés mécaniques en raison de la ségrégation du titane et l'inhomogénéité microstructurale dans la zone soudée. D'autre part, la faisabilité du soudage par friction malaxage pour assmebler les composites à matrice métallique AA1100 renforcées par des particules B4C est étudiée pour des concentrations en volume de 16 et de 30% B4C. Pour les deux composites, le soudage par friction malaxage a une influence significative sur la distribution de la taille des particules et celle des grains de la matrice. Pour le composite AA1100-16% B4C, la taille moyenne des particules diminue après le soudage de ~ 20% et la taille de grain de 15 à 5 um telle que mesurée dans la zone soudée. Les essais de traction des joints soudés a montré une efficacité allant jusqu'à 100% pour les matériaux composites à l'état recuit AA1100-16 % B4C et AA1100-30% B4C. Toutefois, si les résistances ultimes en traction de tous les composites étudiés sont similaires à ~ 130 MPa, la ductilité des joints soudés est plus élevée pour les matériaux recuits. En outre, il a été observé que la variation de la vitesse de soudage entre 100 et 275 mm/min n'influence pas les propriétés de traction et la distribution de tailles des particules. En outre, l'outil de soudage en WC-Co a montré une durabilité bien meilleure que l'outil en acier pour lequel l'usure a eu lieu principalement sur les bords de l'épaulement. Les surfaces du joint FSW produits en utilisant les deux outils ont présenté une résistance à la corrosion inférieure par rapport au matériau de base. Par contre, les assemblages réalisés par l'outil de WC-Co 15 wt.% ont montré une meilleure résistance à la corrosion que celles faites par l'outil en acier. Des assemblages dissimilaires formés des composites AA1100-16 vol.% B4C avec un alliage d'aluminium AA6063 ont été produits avec succès par FSW. Tous les assemblages produits dans les conditions de soudage étudiées étaient plus forts que les matériaux de base d'Al-B4C et ont donné une résistance ultime élevée de ~ 126 MPa et un allongement de ~ 8%. L'analyse de la concentration de Mg et la distribution des particules B4C indique qu'un bon mélange du matériau a été réalisé pendant le soudage par friction malaxage, autour de l'interface entre le composite AI-B4C et l'alliage AA6063. L'analyse EBSD a montré que pendant le soudage, il y avait une évolution progressive de la microstructure sur les deux côtés des matériaux, résultant en une variété de structures de grain dans les zones de soudure différentes. Dans les zones de soudure, les matériaux ont été dynamiquement recristallisés à des degrés différents en fonction de leur histoire thermo-mécanique. Le raffinement des grains des deux matériaux dans la zone du noyau a été observé (côté MMC : 15 vs 8 um, côté AA6063 : 76 vs 20um). Il est recommandé que l'alliage AA6063 soit positionné sur le côté avançant et l'utilisation d'un 'offset' approprié sur le côté AA6063 est préféré. Une comparaison de toutes les données des tests de traction ont révélé que le soudage au laser peut être une bonne alternative pour l'assemblage des composites AI-B4C et que l'efficacité du joint peut atteindre jusqu'à 75% (UTS). Une plus grande amélioration des propriétés mécaniques peut être atteint si une quantité optimale de titane est apportée lors du soudage et que le titane est uniformément réparti dans la soudure. D'autre part, le soudage par friction malaxage a été considéré comme un choix judicieux pour assembler des composites AI-B4C car il permet d'éviter les réactions chimiques et conduit à d'excellentes propriétés mécaniques. Il est recommandé que le soudage par friction malaxage soit utilisé pour des matériaux à l'état recuit parce que l'efficacité du joint et la ductilité sont plus élevés que celles des matériaux dans l'état laminé. Il est intéressant de souligner le fait que dans des conditions à l'état recuit la plupart des échantillons soudés entre composites AA1100-16vol.% B4C ont fracturé dans le matériau de base. Cela indique que des composites soudés par friction malaxage étaient plus forts que les matériaux de base, ce qui est très prometteur pour l'assemblage des composites à matrice d'aluminium