Synthèse avancée et caractérisation multifacette d’échantillons d’alliage Al‑Mg moussés renforcés par incorporation de TiH2 via le traitement par friction

Pourquoi des métaux plus légers comptent

Des avions et voitures électriques aux ordinateurs portables et équipements de protection, de nombreuses technologies actuelles gagneraient à utiliser des métaux à la fois plus légers et plus résistants. Une classe prometteuse de matériaux est celle des mousses métalliques — des solides remplis de pores microscopiques, un peu comme un « emmental » métallique. Cet article explore une nouvelle manière de fabriquer une mousse d’aluminium solide et légère en utilisant un alliage courant et un procédé en phase solide soigneusement contrôlé, ouvrant la voie à des véhicules plus sûrs, des systèmes de refroidissement plus efficaces et des structures qui absorbent mieux les chocs tout en pesant beaucoup moins.

Transformer le métal massif en mousse

Les chercheurs se sont concentrés sur un alliage largement utilisé appelé Al‑5052, connu pour sa faible densité, sa bonne résistance à la corrosion et ses propriétés mécaniques satisfaisantes. Plutôt que de mousser du métal en fusion, ils ont commencé par une plaque d’aluminium solide et utilisé une méthode appelée traitement par friction (friction stir processing). Un outil rotatif est pressé et déplacé le long de la plaque en remuant une rainure remplie de poudre fine d’hydrure de titane (TiH₂). En effectuant quatre passages avec l’outil, ils ont obtenu une répartition homogène de ces particules le long d’une bande de la plaque. Plus tard, lorsque ce matériau préparé est chauffé, le TiH₂ libère un gaz à l’intérieur du métal assoupli, le faisant gonfler de l’intérieur pour former une mousse.

Observer l’intérieur du nouveau matériau

Pour confirmer que le procédé fonctionnait comme prévu, l’équipe a employé plusieurs techniques d’imagerie et d’analyse. Des microscopes optiques et électroniques ont montré que les particules contenant du titane étaient réparties de façon uniforme, avec très peu d’agglomérats. Le remuage intense a fragmenté les gros grains d’aluminium initiaux en grains beaucoup plus fins, une modification qui tend à augmenter la résistance des métaux. Des mesures par diffraction des rayons X ont indiqué que la structure cristalline de l’aluminium restait intacte et que des phases contenant du titane étaient présentes, prouvant que l’agent moussant avait été correctement incorporé et conservé dans l’alliage avant le chauffage.

Plus résistant, plus dur, mais encore travaillable

Avant de transformer le matériau en mousse, les chercheurs ont évalué l’effet du traitement par friction sur ses performances mécaniques. La zone d’aluminium traitée a montré une augmentation de la résistance ultime à la traction, passant d’environ 263 mégapascals à près de 319 mégapascals — soit une hausse d’environ 21 %. La dureté a également augmenté d’environ 21 %. Ce renforcement s’est accompagné d’une perte modeste d’allongement, un compromis courant lorsque de petites particules dures et des grains affinés entravent le mouvement des défauts dans le métal. Concrètement, la bande d’alliage traitée est devenue une « peau » plus résistante et plus dure, mieux à même de supporter des charges et de résister à l’indentation, ce qui est utile à la fois pour le matériau précurseur et pour les parois cellulaires de la mousse finale.

Façonner la mousse et ses pores

Les échantillons préparés ont ensuite été chauffés au four selon deux conditions : l’une à 725 °C pendant 12 minutes et l’autre à 750 °C pendant 8 minutes. Dans les deux cas, le TiH₂ s’est décomposé en libérant de l’hydrogène, qui s’est retrouvé piégé dans l’aluminium assoupli, formant des pores arrondis dans tout le volume. La microscopie a montré des réseaux de pores relativement uniformes. À 725 °C, la taille moyenne des pores était d’environ 256 micromètres ; à 750 °C, elle était légèrement plus petite, autour de 219 micromètres, ce qui suggère qu’un choix précis de la température et du temps permet d’ajuster l’aspect et le comportement de la mousse. La cartographie chimique a indiqué que la majeure partie du TiH₂ s’était décomposée, laissant du titane et des composés titane‑aluminium dans les parois cellulaires, ainsi que des phases oxydées qui contribuent à stabiliser la mousse pendant l’expansion.

Blocs légers au fort potentiel

En mesurant la masse et le volume des échantillons moussus, l’équipe a trouvé une densité d’environ 1 266 kilogrammes par mètre cube — moins de la moitié de celle de l’Al‑5052 massif — et une porosité d’environ 53 %. Ces caractéristiques placent ces mousses dans la zone intéressante pour les usages en ingénierie, où il faut concilier faible masse, résistance et absorption d’énergie. Le travail montre que le traitement par friction peut incorporer de manière fiable un agent moussant et créer une mousse d’aluminium de haute qualité avec une taille et une distribution de pores contrôlées, sans faire fondre l’ensemble du métal. Pour les non‑spécialistes, la conclusion est que nous disposons désormais d’une voie plus propre et plus maîtrisable pour fabriquer des « éponges » métalliques fortes et légères qui pourraient contribuer à fabriquer des voitures plus sûres, des aéronefs plus efficients et de meilleurs systèmes de gestion thermique dans les années à venir.

Citation: Rathee, S., Nabi, S., Srivastava, M. et al. Advanced synthesis and multifaceted characterization of Al-Mg alloy foams reinforced with TiH₂ incorporation through friction stir processing. Sci Rep 16, 11568 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38973-y

Mots-clés: mousse d’aluminium, matériaux légers, traitement par friction, hydrure de titane, structures aérospatiales