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

Les composites Al-B4C a matrice metallique sont des materiaux importants comme absorbeurs de neutrons dans le stockage et le transport du combustible nucleaire en raison de leur concentration elevee en bore et donc de leur haute capacite d'absorption des neutrons. Toutefois, l'application de ces materiaux est encore limitee en raison, entre autres, de l'absence de techniques d'assemblage appropriees pour beneficier pleinement des avantages des materiaux. Des problemes tels que la porosite, la reaction chimique entre la matrice Al et des particules B4C peuvent se produire pendant le soudage par fusion. Par consequent, la presente etude vise a trouver des techniques de soudage efficaces et fiables pour des composites Al-B4C a matrice metallique. La soudabilite des composites a matrice metallique AA1100-16% B4C (taille moyenne des particules: 11 um) et AA1100-30% B4C (taille moyenne des particules: 15 um) a ete evaluee a l'aide du soudage au laser et du soudage par friction malaxage. En comparaison avec les techniques classiques de soudage a l'arc, les zones de fusion penetrantes et etroites associees au soudage au laser peuvent entrainer des zones affectees par chaleur plus petites, et donc moins de distorsion thermique et de degradation des proprietes mecaniques. D'autre part, le soudage par friction malaxage, etant un procede de soudage a l'etat solide, est prometteur car il permet d'eviter divers problemes qui pourraient autrement etre rencontres au cours de soudage par fusion. Pour le soudage au laser sans materiau d'apport, il a ete constate que le plupart de particules B4C ont ete decomposees lors du soudage conduisant a la formation de phases AIB2 et AI3BC en forme d'aiguille dans la soudure. Dans ce cas, une efficacite de joint a 63% (UTS) a ete obtenue apres essai de traction. La variation de puissance de laser de 2 a 4 kW et de la vitesse de soudage de 1 a 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 ete utilise comme materiau d'ajout visant a ameliorer les proprietes des assemblages. Il a ete constate que l'ajout de Ti avec une feuille de 150 um d'epaisseur a augmente l'efficacite de joint a 75% en raison de la diminution de la taille et la quantite des phases en forme d'aiguille. L'ajout de Ti sous forme de fil d'apport n'a pas montre une amelioration significative des proprietes mecaniques en raison de la segregation du titane et l'inhomogeneite microstructurale dans la zone soudee. D'autre part, la faisabilite du soudage par friction malaxage pour assmebler les composites a matrice metallique AA1100 renforcees par des particules B4C est etudiee 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 apres le soudage de ~ 20% et la taille de grain de 15 a 5 um telle que mesuree dans la zone soudee. Les essais de traction des joints soudes a montre une efficacite allant jusqu'a 100% pour les materiaux composites a l'etat recuit AA1100-16 % B4C et AA1100-30% B4C. Toutefois, si les resistances ultimes en traction de tous les composites etudies sont similaires a ~ 130 MPa, la ductilite des joints soudes est plus elevee pour les materiaux recuits. En outre, il a ete observe que la variation de la vitesse de soudage entre 100 et 275 mm/min n'influence pas les proprietes de traction et la distribution de tailles des particules. En outre, l'outil de soudage en WC-Co a montre une durabilite bien meilleure que l'outil en acier pour lequel l'usure a eu lieu principalement sur les bords de l'epaulement. Les surfaces du joint FSW produits en utilisant les deux outils ont presente une resistance a la corrosion inferieure par rapport au materiau de base. Par contre, les assemblages realises par l'outil de WC-Co 15 wt.% ont montre une meilleure resistance a la corrosion que celles faites par l'outil en acier. Des assemblages dissimilaires formes des composites AA1100-16 vol.% B4C avec un alliage d'aluminium AA6063 ont ete produits avec succes par FSW. Tous les assemblages produits dans les conditions de soudage etudiees etaient plus forts que les materiaux de base d'Al-B4C et ont donne une resistance ultime elevee 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 melange du materiau a ete realise pendant le soudage par friction malaxage, autour de l'interface entre le composite AI-B4C et l'alliage AA6063. L'analyse EBSD a montre que pendant le soudage, il y avait une evolution progressive de la microstructure sur les deux cotes des materiaux, resultant en une variete de structures de grain dans les zones de soudure differentes. Dans les zones de soudure, les materiaux ont ete dynamiquement recristallises a des degres differents en fonction de leur histoire thermo-mecanique. Le raffinement des grains des deux materiaux dans la zone du noyau a ete observe (cote MMC : 15 vs 8 um, cote AA6063 : 76 vs 20um). Il est recommande que l'alliage AA6063 soit positionne sur le cote avancant et l'utilisation d'un 'offset' approprie sur le cote AA6063 est prefere. Une comparaison de toutes les donnees des tests de traction ont revele que le soudage au laser peut etre une bonne alternative pour l'assemblage des composites AI-B4C et que l'efficacite du joint peut atteindre jusqu'a 75% (UTS). Une plus grande amelioration des proprietes mecaniques peut etre atteint si une quantite optimale de titane est apportee lors du soudage et que le titane est uniformement reparti dans la soudure. D'autre part, le soudage par friction malaxage a ete considere comme un choix judicieux pour assembler des composites AI-B4C car il permet d'eviter les reactions chimiques et conduit a d'excellentes proprietes mecaniques. Il est recommande que le soudage par friction malaxage soit utilise pour des materiaux a l'etat recuit parce que l'efficacite du joint et la ductilite sont plus eleves que celles des materiaux dans l'etat lamine. Il est interessant de souligner le fait que dans des conditions a l'etat recuit la plupart des echantillons soudes entre composites AA1100-16vol.% B4C ont fracture dans le materiau de base. Cela indique que des composites soudes par friction malaxage etaient plus forts que les materiaux de base, ce qui est tres prometteur pour l'assemblage des composites a matrice d'aluminium.