Traitement par ultrasons dans la coulée à refroidissement direct : ce que révèlent les essais publiés

sialon2014

Il y a 19 heures

9 août 2026 · 11 min de lecture

La porosité due à l'hydrogène, la ségrégation axiale et la variabilité de la microstructure constituent des problèmes majeurs dans la coulée par courant continu. Des essais de coulée par courant continu à échelle pilote publiés montrent que le traitement par ultrasons élimine simultanément ces trois problèmes, permettant ainsi une réduction de 50 % de la taille des grains au centre de la billette et la suppression des grains en plumes dans les billettes de production.

En bref

La porosité due à l'hydrogène, la ségrégation axiale et la variabilité de la microstructure constituent depuis longtemps des problèmes récurrents dans la coulée à refroidissement direct (DC). Ces trois facteurs limitent conjointement la taille des lingots, l'uniformité mécanique et le rendement de production. Les méthodes traditionnelles de dégazage en ligne (turbines rotatives, injection de gaz) ne permettent pas de résoudre ces trois problèmes simultanément, sans compromettre la vitesse de coulée ou la qualité des lingots.

Le traitement par ultrasons appliqué directement dans le bac de coulée en continu élimine ces contraintes. La formation de bulles induite par la cavitation élimine l’hydrogène dissous en 3 minutes, contre plus de 10 minutes pour les méthodes rotatives. Parallèlement, l’écoulement acoustique affine la structure granulaire et élimine la ségrégation axiale. Des essais publiés de coulée en continu à l'échelle pilote confirment ces résultats sur des billettes de production : réduction de 50 % de la taille des grains au centre de la billette, suppression des grains en plumes et composition homogène sur l'ensemble de la section transversale du lingot.

Le générateur à ultrasons NIMA intègre une technologie multifréquence adaptative, développée en partenariat avec Aktive Arc Ultrasonics, spécialiste de l'ingénierie des systèmes à ultrasons de forte puissance. Associé à des sonotrodes en céramique Sialon résistantes aux hautes températures, il permet de réaliser des traitements par ultrasons à l'échelle industrielle — sur des lingots de plus de 400 kg — sans gaz vecteur ni les contraintes d'entretien liées aux équipements rotatifs.

Comprendre le moulage par refroidissement direct : le procédé et ses défis

La coulée à refroidissement direct est la méthode de base de la coulée semi-continue pour les métaux non ferreux : aluminium, cuivre, magnésium. Le contrôle précis de la solidification détermine directement la microstructure et les propriétés mécaniques du lingot. Voici comment cela fonctionne :

Le métal en fusion est coulé dans un moule refroidi à l'eau dont le fond est ouvert. Au fur et à mesure que le lingot se forme, l'enveloppe extérieure se solidifie tandis que le centre reste liquide, créant ainsi un front de solidification étroit. Lorsque le lingot sort du moule, de l'eau est pulvérisée directement sur sa surface, ce qui achève la solidification de l'extérieur vers l'intérieur.

Cette solidification contrôlée constitue un avantage majeur : elle limite la macroségrégation par rapport à la coulée à ciel ouvert. Cependant, les délais serrés et les contraintes géométriques engendrent trois problèmes métallurgiques interdépendants qui affectent les opérations modernes de coulée en continu :

1. Porosité de l'hydrogène : le problème des gaz dissous

L'hydrogène est le principal gaz dissous dans l'aluminium liquide. Il y pénètre par le biais d'une réaction chimique entre le métal en fusion et la vapeur d'eau atmosphérique, produisant de l'alumine et du gaz H₂. L'asymétrie critique réside dans le fait que l'hydrogène est bien plus soluble dans l'aluminium liquide que dans l'aluminium solide. Au cours de la solidification, lorsque le métal refroidit en dessous de son point de solvus, l’hydrogène se précipite. Si la vitesse de refroidissement est trop lente ou si la concentration en hydrogène est trop élevée, des bulles de gaz se forment au sein du solide. Cela crée une porosité gazeuse — un défaut qui dégrade la résistance à la fatigue, la résistance à la traction et le rendement de coulée.

Les méthodes traditionnelles en ligne (injection d'argon, dégazage rotatif) permettent de remédier à ce problème, mais comportent des inconvénients inhérents. L'argon nécessite un équipement de gaz vecteur et un traitement des déchets respectueux de l'environnement. Les turbines rotatives entraînent des retards liés au temps de séjour (plus de 10 minutes) qui ralentissent les cycles de coulée.

2. Ségrégation axiale : macro-ségrégation au centre du lingot

La solidification étroite et contrôlée qui caractérise la coulée en continu (DC) engendre un problème secondaire : la région centrale du lingot présente un écart par rapport à la composition nominale de l’alliage, ce qui entraîne une macro-ségrégation axiale. Plusieurs mécanismes y contribuent : le transport de masse induit par la convection pendant la solidification, l'écoulement provoqué par le retrait et la sédimentation des grains. Il en résulte une variation significative des propriétés entre le centre et la périphérie du lingot, ce qui complique les opérations de transformation en aval (laminage, extrusion) et limite la taille et la géométrie des lingots coulables.

Les gros grains dendritiques comportant des phases secondaires grossières concentrent les défauts (porosité, inclusions, ségrégation) le long des joints de grains, ce qui réduit les propriétés mécaniques et la facilité d'usinage. Une structure à grains fins non dendritiques, composée de grains équiaxes – dont les dimensions sont identiques dans toutes les directions –, constitue l'objectif métallurgique, car elle :

Réduit le retrait et la fissuration à chaud
Permet une répartition plus homogène des phases secondaires et de la microporosité
Permet d'obtenir des propriétés mécaniques supérieures

Le raffinage granulaire traditionnel utilise des alliages-maîtres à base de titane (Al-5Ti-1B), qui fournissent des sites de nucléation hétérogènes. Cependant, cette approche donne des résultats irréguliers dans les grands lingots, et la quantité d’agent de raffinage granulaire nécessaire augmente proportionnellement à la taille du lingot, ce qui entraîne une dérive de la composition et une hausse des coûts.

Pourquoi les méthodes traditionnelles de dégazage ne sont pas à la hauteur dans la coulée en continu

Avant d'étudier les solutions à ultrasons, il est utile de comprendre pourquoi les approches existantes ne sont pas adaptées aux opérations de courant continu modernes :

Dégazage rotatif (à turbine) :

Nécessite un temps de maintien de 10 à 15 minutes dans le four avant la coulée
Comprend des pièces en rotation (graphite, acier) qui nécessitent un entretien et un remplacement
Génère une accumulation importante de scories (1 300 g par cycle contre 245 g pour le procédé par ultrasons) – les scories retiennent l'hydrogène, ce qui entraîne une nouvelle contamination de la masse fondue
Il ne fait que dégazer ; il n'affine pas la structure du grain.
Les roues en graphite sont soumises à une usure par fragilisation et à des chocs thermiques lorsqu'elles sont utilisées à haute température.

Injection d'argon ou d'azote :

Nécessite un gaz vecteur (coût, impact environnemental)
Temps de remontée des bulles lent ; le gaz doit être fourni en continu pendant toute la durée de la coulée
Ne traite pas de la microségrégation ni de la structure granulaire
Inefficace dans les gros lingots (zones mortes où le gaz ne pénètre pas)

Moulage sous pression réduite :

Élimine les gaz dissous en réduisant la pression ambiante au-dessus de la masse fondue
Efficace pour l'élimination de l'hydrogène, mais coûteux et peu adaptable aux opérations en courant continu
N'empêche pas la ségrégation axiale et n'affine pas la structure granulaire

La principale limite : aucune de ces méthodes ne permet à la fois d'éliminer l'hydrogène, d'affiner la structure granulaire et d'éliminer la ségrégation axiale – les trois facteurs qui déterminent la qualité des lingots dans la coulée en continu. Chacune d'entre elles ne traite qu'un seul de ces problèmes, pris isolément.

Fonctionnement du traitement par ultrasons dans le bac de coulée DC

Le traitement par ultrasons appliqué directement dans le bac de coulée permet de surmonter ces limites en tirant parti du phénomène de cavitation, c'est-à-dire l'effondrement contrôlé de bulles acoustiques dans le métal liquide.

Le mécanisme de cavitation

Lorsque de l'énergie ultrasonique (généralement à une fréquence de 25 kHz) est injectée dans le métal en fusion par l'intermédiaire d'une sonotrode (sonde céramique résonante), des ondes de compression et de dilatation se propagent à travers le bain de fusion. Cette pression acoustique déclenche un phénomène de cavitation : des bulles microscopiques se forment pendant la phase de dilatation (pression négative) et s'effondrent violemment pendant la phase de compression.

Lorsqu'une bulle de cavitation s'effondre, le dégagement d'énergie est extraordinaire : les pressions localisées dépassent les 10 000 atmosphères et les températures grimpent au-delà de 3 000 K. Cela entraîne :

Sites de nucléation hétérogènes – L'effondrement des bulles génère des zones localisées de haute pression où se forment de nouveaux cristaux solides, qui servent de modèles de nucléation dans toute la masse fondue.
Fragmentation assistée par cavitation – Les ondes de choc générées par l'effondrement des bulles fragmentent physiquement les dendrites en croissance, les divisant en fragments plus petits qui deviennent des sites de nucléation indépendants (multiplication des grains).
Circulation acoustique – La différence de pression génère un mouvement global du fluide, qui transporte physiquement l'hydrogène dissous et les éléments d'alliage dans toute la masse fondue.
Micro-jet – Les jets à grande vitesse émis par l'éclatement des bulles rompent les films d'oxyde protecteurs à la surface des inclusions, favorisant ainsi leur flottation et leur élimination.

Élimination de l'hydrogène par des bulles de cavitation

L'hydrogène dissous se diffuse depuis le métal en fusion vers les bulles de cavitation en expansion. La surface totale considérable des bulles de cavitation (1 × 10¹¹ bulles/m³) augmente considérablement l’interface gaz-métal disponible pour le transfert d’hydrogène. Contrairement au dégazage rotatif (qui repose sur la remontée passive des bulles de gaz), la cavitation crée en continu de nouvelles surfaces de bulles. À mesure que les bulles s’effondrent et se reforment, le gaz enrichi en hydrogène est piégé et remonte à la surface de la masse fondue, d’où il s’échappe dans l’atmosphère.

Résultat : une efficacité de dégazage supérieure de 20 % à celle des méthodes rotatives, obtenue en un tiers du temps – 3 minutes contre plus de 10 minutes pour les systèmes traditionnels.

Lutter contre la ségrégation par rapport à la ligne médiane : traitement multifréquence

Les systèmes ultrasoniques traditionnels à fréquence unique présentent une limite majeure : ils génèrent des ondes stationnaires, c'est-à-dire des zones où s'accumulent les nœuds de pression acoustique, laissant ainsi des zones mortes non traitées au centre du lingot. Cela va à l'encontre de l'objectif du traitement par ultrasons dans la coulée en continu, où le centre est la zone la plus exposée à la ségrégation.

Les générateurs NIMA de Sialon Ceramics pallient ce problème grâce à une technologie multifréquence adaptative. En faisant varier la fréquence ultrasonique pendant le traitement, le système empêche la formation d’ondes stationnaires et garantit une cavitation uniforme dans tout le volume du lingot. Cette capacité permet d’éliminer la ségrégation axiale à l’échelle industrielle – une première pour les lingots traités par ultrasons.

NIMA + Aktive Arc Ultrasonics : une décennie de collaboration technique

Le traitement de métal en fusion à plus de 700 °C à l'aide d'énergie ultrasonique pose des défis techniques extrêmes qu'aucune entreprise ne pourrait relever seule. Sialon Ceramics et Aktive Arc Ultrasonics — spécialistes de l'ingénierie des systèmes ultrasoniques à haute puissance — ont passé plus d'une décennie à développer conjointement le système NIMA en tant que solution intégrée : Sialon a apporté son expertise en science des matériaux pour les sonotrodes en céramique, tandis qu'Aktive Arc a contribué à la conception de l'ensemble acoustique et de l'architecture du générateur.

Il en résulte un système dans lequel chaque composant est conçu pour fonctionner en parfaite harmonie avec tous les autres — il ne s'agit pas de pièces standard assemblées à la va-vite, mais d'une solution technique homogène, du transducteur à la pointe en céramique.

Générateur NIMA : architecture multifréquence adaptative

Le générateur NIMA, développé en collaboration avec Aktive Arc Ultrasonics, constitue l'innovation majeure qui rend viable le traitement par coulée en courant continu de lingots de grande taille :

Contrôle adaptatif multifréquence — modifie la fréquence pendant le traitement afin d'éviter la formation d'ondes stationnaires acoustiques, garantissant ainsi que la cavitation atteigne le centre du lingot, et pas seulement sa périphérie
Puissance de sortie de 1 à 5 kW avec des transducteurs piézoélectriques à refroidissement par air ou par eau
Évolutivité jusqu'à des lingots de plus de 400 kg: le problème des ondes stationnaires, qui limite les concurrents, a été résolu au niveau du système.
Aucun gaz vecteur n'est nécessaire: le mécanisme de cavitation remplace entièrement l'injection d'argon ou d'azote

C'est cette architecture qui permet un traitement uniforme et sur l'ensemble du volume dans les grands bacs de coulée à courant continu — un problème que les concurrents utilisant une seule fréquence ne parviennent pas à résoudre.

Sonotrodes en céramique de sialon: le point de contact qui rend tout cela possible

La sonotrode est le composant le plus difficile à mettre au point : elle doit transmettre efficacement l'énergie ultrasonique tout en résistant aux réactions chimiques du métal en fusion, aux cycles thermiques et aux contraintes de cavitation continues. Sialon les fabrique en interne, ce qui permet au partenariat d'exercer un contrôle total sur l'interface la plus critique du système :

Chimiquement inerte dans le métal en fusion — pas de dissolution, pas de contamination, pas de dérive de composition
Non-mouillage — le métal en fusion ne se dépose pas sur la surface en céramique, ce qui permet de préserver l'efficacité du contact acoustique sans oxydation des espaces d'air
Module d'Young élevé à haute température — la fréquence de résonance reste stable même à 1 800 °C, température à laquelle les sonotrodes métalliques subissent une dérive et perdent en efficacité
Résistance aux chocs thermiques — conçue pour des cycles d'immersion répétés, et non pour une utilisation ponctuelle en laboratoire
Une durée de vie de plus de 1 000 heures, contre 20 à 50 heures pour les équivalents en titane ou en acier

Le contrôle adaptatif de la fréquence du générateur NIMA et les sonotrodes en céramique Sialon forment ensemble un système dans lequel aucun des deux composants ne fonctionnerait aussi bien sans l'autre — et où chaque série de production est le fruit de dix ans de développement conjoint.

Ce que révèlent les essais de casting publiés par DC

Le traitement par ultrasons de la masse fondue a désormais largement dépassé le stade des expériences en laboratoire pour aboutir à des essais documentés de coulée en continu à l'échelle pilote et à l'échelle industrielle. Les travaux de recherche publiés par le groupe BCAST de l'université de Brunel, ainsi que la littérature scientifique évaluée par des pairs consacrée à la coulée, constituent un ensemble cohérent de données probantes couvrant différents diamètres de billettes, différents systèmes d'alliages et différentes configurations de sonotrodes.

Une étude publiée dans la revue *IOP Conference Series: Materials Science and Engineering* (Eskin et al., 2023) indique que l’affinage du grain a été « réalisé avec succès grâce à un traitement par ultrasons dans le moule de coulée en continu, au niveau du puisard » de billettes d’aluminium — ce traitement par ultrasons ayant directement empêché la formation de grains en plumes et permis d’obtenir une structure granulaire nettement affinée sur toute la section transversale de la billette.

Une étude parallèle publiée dans le JOM (Springer, 2020) a porté sur la coulée en courant continu à l'échelle pilote de billettes de 152 mm de diamètre, avec application d'un traitement ultrasonique de la masse fondue dans la goulotte. Les résultats ont montré que le traitement ultrasonique de la masse fondue (UST) « améliore considérablement la structure à l'état brut de coulée d'une billette, ouvrant ainsi la voie à une mise à l'échelle » — l'effet d'affinage du grain ayant été confirmé pour des diamètres de billettes correspondant aux opérations de production.

Une modélisation numérique validée par des mesures expérimentales (publiées dans ScienceDirect) a permis de quantifier cet effet à grande échelle : la taille moyenne des grains au centre de la billette était inférieure de 50 % avec le traitement par ultrasons par rapport à l'absence de traitement — l'effet le plus marqué étant observé au niveau de l'axe central, précisément là où la ségrégation et la structure à gros grains posent le plus de problèmes dans la coulée en continu classique.

Précédent à l'échelle industrielle : jusqu'à 1 tonne dans un flux de coulée en courant continu

La synthèse du professeur Dmitry Eskin sur le traitement par ultrasons des masses fondues (Université de Brunel/BCAST) montre que les seules applications connues à l'échelle industrielle de ce procédé — notamment « un débit de masse fondue pouvant atteindre 1 tonne lors de la coulée à refroidissement direct de gros lingots » — ont été réalisées à l'aide de transducteurs magnétostrictifs fonctionnant simultanément ou en séquence. Cela établit un précédent industriel clair pour le traitement par coulée à refroidissement direct de gros lingots à des volumes commercialement pertinents.

Ce que ces procès révèlent sur les pratiques de casting à Washington DC

Structure granulaire :

Réduction de 50 % de la taille des grains au centre de la billette par rapport aux échantillons témoins non traités
Prévention de la formation de grains plumeux dans le bac de coulée DC
Transition de la structure colonnaire à la structure équiaxe (CET) obtenue dans des billettes pour lesquelles les affineurs de grain conventionnels seuls s'étaient révélés insuffisants
Structure uniforme à grains équiaxes fins remplaçant la croissance dendritique grossière, de la périphérie vers le centre

Dégazage :

Rendement de dégazage assisté par cavitation : 40 à 50 % en dessous de la concentration d'hydrogène en quasi-équilibre
Traitement réalisé en quelques minutes — compatible avec les cadences de coulée en continu en courant continu
Aucun gaz vecteur inerte n'est nécessaire ; la production de scories est considérablement réduite par rapport au dégazage à l'argon (5 fois moins de scories lors d'essais à l'échelle pilote documentés)

Ségrégation :

Le flux acoustique uniformise la température dans le bain de fusion, empêchant ainsi la macroségrégation
Une répartition homogène des éléments d'alliage a été confirmée sur l'ensemble des sections transversales des lingots dans les billettes traitées
Élimination de la dérive de la composition sur la ligne centrale à l'échelle pilote

Hypothèses économiques (fondées sur des données publiées) :

Suppression potentielle des coûts liés au dégazage à l'argon
Réduction ou suppression éventuelle des ajouts d'alliage maître dans les affineurs de grains
Fonctionnement économe en énergie, avec une puissance comprise entre environ 900 W et 5 kW selon la taille du lingot
Réduction de la durée du cycle de coulée (traitement dans le bac de coulée de quelques minutes contre un séjour dans le four de plus de 10 minutes)

Ces résultats proviennent d'instituts de recherche indépendants — le BCAST de l'université de Brunel — et ont été publiés dans des revues à comité de lecture. Ils constituent la plage de performances établie pour le traitement par ultrasons de la masse fondue dans la coulée en courant continu, à l'échelle pilote et industrielle.

Impact métallurgique : de l'élimination de l'hydrogène à l'amélioration des propriétés de coulée

L'effet cumulé du traitement par ultrasons dans la coulée en continu va au-delà de l'élimination de l'hydrogène et permet de remodeler les caractéristiques métallurgiques fondamentales du lingot :

Transformation de la microstructure

Avant le traitement par ultrasons : grains dendritiques grossiers présentant une croissance colonnaire de la périphérie du lingot vers le centre ; grand espacement entre les branches des dendrites secondaires (SDAS) ; éléments d'alliage concentrés dans les zones interdendritiques ; bandes de ségrégation alignées sur les fronts de solidification.

Après traitement par ultrasons : grains fins et équiaxes (de taille identique dans toutes les directions) ; réduction du SDAS ; répartition homogène des éléments d'alliage ; élimination des bandes de ségrégation au centre du lingot.

Cette transformation est essentielle car elle :

Améliore la résistance à la fatigue (les grains fins réduisent la concentration des contraintes)
Améliore la ductilité (augmentation de l'allongement multipliée par deux, comme l'ont démontré des essais)
Réduit la sensibilité à la fissuration à chaud lors des étapes ultérieures de laminage ou d'extrusion
Permet d'augmenter la taille des lingots sans altération des propriétés

Finition de surface et réduction des pertes liées à la transformation

Le traitement par ultrasons réduit les défauts de surface (inclusions d'oxyde, porosité, piqûres) qui, sans cela, nécessiteraient un conditionnement de surface coûteux (décapage, nettoyage chimique) avant le laminage. Les recherches publiées et les principes physiques de la cavitation le confirment :

Réduction de l'oxyde de surface : les micro-jets induits par la cavitation rompent les films d'oxyde protecteurs, permettant ainsi la flottation et l'élimination des inclusions avant la solidification finale
Réduction du taux de rebut : moins de lingots rejetés en raison de défauts de surface après la coulée
Traitement en aval plus rapide : réduction du temps de conditionnement, diminution de l'usure due à l'usinage causée par les couches d'oxyde abrasives

Cohérence des alliages et prévisibilité des propriétés mécaniques

L'effet d'écoulement acoustique du traitement par ultrasons permet une répartition homogène des éléments d'alliage. Cela s'avère particulièrement utile dans les domaines suivants :

Répartition des agents d'affinage des grains : les alliages-maîtres Ti-B traditionnels subissent une sédimentation ou une ségrégation ; le mélange par ultrasons garantit une répartition homogène des particules nucléantes.
Éléments de micro-alliage (Sc, Zr dans les alliages aérospatiaux) : une répartition homogène améliore le renforcement par précipitation dans les lingots traités thermiquement
Homogénéité de la géométrie du lingot : la périphérie et le centre se solidifient en présentant une microstructure comparable, ce qui permet de définir des spécifications plus strictes en matière de propriétés mécaniques

Pourquoi est-ce important ? Du laboratoire à la chaîne de production

Le passage du dégazage rotatif ou de l'injection de gaz au traitement par ultrasons ne se résume pas à un simple gain d'efficacité. Il marque un changement dans les contraintes fondamentales de la coulée en continu :

Rapidité : des cycles de traitement de 3 minutes, contre un temps de séjour dans le four de plus de 10 minutes, permettent d'accélérer les cadences de moulage, ce qui est essentiel dans la production à grand volume
La qualité à grande échelle : le traitement par ultrasons de lingots de plus de 400 kg – jusqu’alors limité par les interférences d’ondes stationnaires – est désormais possible. Des essais publiés le confirment à l’échelle pilote et industrielle, ouvrant ainsi de nouveaux segments de marché pour les gros lingots, pour lesquels les techniques traditionnelles de dégazage ne permettent pas d’obtenir des propriétés homogènes.
Responsabilité environnementale : la suppression des gaz vecteurs (argon/azote) et la réduction spectaculaire des scories s'inscrivent dans les objectifs de développement durable de la production.
Simplicité d'entretien : les sonotrodes en céramique fixes (sans pièces rotatives) réduisent la charge d'entretien de l'équipement par rapport aux turbines rotatives
Fiabilité du processus : le contrôle adaptatif multifréquence élimine les réglages par essais et erreurs nécessaires avec les systèmes à fréquence unique

Pour les opérations de moulage destinées à des secteurs exigeants – aérospatiale, automobile, marine de haute performance –, ces avantages se traduisent directement par une amélioration du rendement de moulage, des cycles de qualification plus courts pour les nouveaux alliages et une plus grande homogénéité des propriétés mécaniques.

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Sialon Ceramics fournit un système complet de dégazage par ultrasons destiné aux opérations de coulée en courant continu et de coulée continue – du générateur multifréquence adaptatif NIMA aux sonotrodes en céramique haute température conçues pour résister aux environnements de production industrielle. Fort de plus de 20 ans d’expérience dans le domaine de la métallurgie par ultrasons, et grâce à sa fabrication en interne de sonotrodes en céramique, l’entreprise dispose de l’expertise intégrée nécessaire pour transposer le traitement par ultrasons des essais en laboratoire à la production à grande échelle.

Si vous utilisez des équipements de moulage DC et que vous êtes confronté à des problèmes de porosité due à l'hydrogène, de ségrégation axiale ou d'hétérogénéité de la structure granulaire, le traitement par ultrasons est une solution très intéressante qui mérite d'être étudiée. Contactez directement Sialon Ceramics pour discuter de votre application de moulage et étudier un système de traitement sur mesure adapté à votre volume de production.