Innovation dans la métallurgie : soudure de la mousse métallique sans faire fondre ses bulles

Patrick Lesggie

Les mousses métalliques composites (CMF) sont des mousses composées de sphères métalliques creuses – fabriquées à partir de matériaux tels que l’acier inoxydable ou le titane – incorporées dans une matrice métallique en acier, titane, aluminium ou autres alliages métalliques. Le matériau obtenu est à la fois léger et remarquablement résistant, avec des applications potentielles allant des ailes d’avion à l’armure de véhicules et à l’armure corporelle. De plus, le CMF isole mieux contre la chaleur élevée que les métaux et alliages conventionnels tels que l’acier. La combinaison de poids, de résistance et d’isolation thermique signifie que le CMF est également prometteur pour une utilisation dans le stockage et le transport de matériel nucléaire, de matières dangereuses, d’explosifs et d’autres matériaux sensibles à la chaleur. Mais pour réaliser bon nombre de ces applications, les fabricants devraient souder plusieurs composants CMF ensemble. Et les techniques de soudage traditionnelles font fondre les bulles qui rendent le CMF désirable. Les chercheurs ont maintenant montré qu’une technique appelée soudage par induction, qui repose sur des champs électromagnétiques, peut souder des CMF sans endommager les bulles dans la mousse. Cette illustration montre comment cela fonctionne. Notez que le CMF est assez froid pour être touché avec votre main nue, à quelques pouces du site de soudure. Crédit : Afsaneh Rabiei, Université d’État de la Caroline du Nord

Les chercheurs de l’université d’État de Caroline du Nord ont découvert une nouvelle méthode de soudage pour la mousse métallique composite (CMF), préservant ses propriétés légères, résistantes et isolantes thermiques, essentielles pour de nombreuses applications.

Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont identifié une technique de soudage qui peut être utilisée pour assembler des composants de mousse métallique composite (CMF) sans altérer les propriétés qui la rendent attrayante. Le CMF présente des promesses pour un large éventail d’applications car les poches d’air qu’il contient le rendent léger, résistant et efficace pour l’isolation contre les températures élevées.

Caractéristiques et défis du CMF

Les CMF sont des mousses composées de sphères métalliques creuses – fabriquées à partir de matériaux tels que l’acier inoxydable ou le titane – incorporées dans une matrice métallique en acier, titane, aluminium ou autres alliages métalliques. Le matériau obtenu est à la fois léger et remarquablement résistant, avec des applications potentielles allant des ailes d’avion à l’armure de véhicules et à l’armure corporelle.

De plus, le CMF isole mieux contre la chaleur élevée que les métaux et alliages conventionnels tels que l’acier. La combinaison de poids, de résistance et d’isolation thermique signifie que le CMF est également prometteur pour une utilisation dans le stockage et le transport de matériel nucléaire, de matières dangereuses, d’explosifs et d’autres matériaux sensibles à la chaleur.

Cependant, pour réaliser bon nombre de ces applications, les fabricants devraient souder plusieurs composants CMF ensemble. Et cela a posé problème.

« La soudure traditionnelle par fusion utilise un agent de remplissage pour relier deux pièces de métal », déclare Afsaneh Rabiei, auteur correspondant d’un article sur la nouvelle recherche et professeur de génie mécanique et aérospatial à la NC State. « Cela pose problème, car le métal fondu pour souder deux pièces de CMF est solide, donc il n’a pas les propriétés souhaitables du CMF de chaque côté. De plus, tout type de soudure utilisant la chaleur directe pour faire fondre le métal entraîne un remplissage de certaines des pores du CMF, ce qui altère ses propriétés. En bref, cela signifie que la plupart des formes de soudure traditionnelle ne fonctionnent pas bien avec les mousses métalliques. »

Avancée dans la technique de soudage du CMF

Cependant, les chercheurs ont maintenant identifié une forme de soudure qui fonctionne très bien. Elle s’appelle le soudage par induction, et elle utilise une bobine d’induction pour créer un champ électromagnétique qui chauffe le métal pour la soudure.

« Étant donné que le CMF est constitué à seulement 30 à 35 % de métal, le champ électromagnétique pénètre profondément dans le matériau – permettant une bonne soudure », déclare Rabiei. « Les poches d’air qui constituent les 65 à 70 % restants du CMF servent à isoler le matériau contre la chaleur. Cela permet au soudage par induction de chauffer la zone ciblée pour joindre deux pièces de CMF, mais empêche la chaleur de se propager à partir de l’endroit de la jonction. Cela contribue à préserver les propriétés du CMF.

Il s’agit d’une avancée importante car les propriétés du CMF le rendent attrayant pour un large éventail d’applications, mais il est essentiel d’avoir un moyen de souder les composants du CMF sans altérer les propriétés qui le rendent attrayant dès le départ. »

L’article intitulé « A Study on Welding of Porous Metals and Metallic Foams » a récemment été publié dans la revue Advanced Engineering Materials.

Référence : « A Study on Welding of Porous Metals and Metallic Foams » d’Afsaneh Rabiei, John Cance et Zubin Chacko, 16 novembre 2023, Advanced Engineering Materials.
DOI : 10.1002/adem.202301430

L’article a été co-écrit par John Cance et Zubin Chacko, doctorants à la NC State. Les travaux ont été réalisés avec le soutien de l’Administration des pipelines et des matières dangereuses du Département des transports des États-Unis, dans le cadre du numéro de subvention PH957-20-0075.