Machinability study of aluminum-lithium alloys for aerospace applications: influences of heat treatments and machining conditions

Radan, Lida (2024). Machinability study of aluminum-lithium alloys for aerospace applications: influences of heat treatments and machining conditions. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis investigates the machinability of advanced aluminum-lithium alloys (Al-Li, Al-Li- Cu, and Al-Li-Cu-Sc), prized for their low density, high tensile strength, and corrosion resistance, making them essential for aerospace applications. However, machining challenges such as reducing the surface roughness, the cutting forces and the fine metallic particles emissions remain critical concerns. This study provides a detailed analysis of how alloy composition, heat treatments, and machining parameters affect these challenges. This study thus fills a crucial gap in the literature by focusing on the effects of scandium and copper additions to Al-Li alloys and their effects on heat treatments and machinability.

Heat treatments were optimized for each alloy to achieve the highest hardness, with the Al-Li alloy reaching 97 HV under 580 °C/1 h solution treatment + 150 °C/45 h artificial aging, and the Al-Li-Cu and Al-Li-Cu-Sc alloys reaching 164 HV and 182.7 HV, respectively, under 505 °C/5 h solution treatment + 180 °C/20 h artificial aging. End milling experiments were conducted at constant depth of cut (2 mm) under both wet and dry conditions, varying feed rates (0.05–0.15 mm/th) and cutting speeds (200–600 m/min).

Key findings demonstrate that the Al-Li alloy required the lowest machining force (52.3 N), while Al-Li-Cu and Al-Li-Cu-Sc alloys required 90 N and 67 N, respectively. Cutting forces decreased with higher cutting speeds and increased with higher feed rates for all alloys. The use of cutting fluid significantly enhanced the surface finish of Al-Li (by 32.2%) and reduced cutting forces in Al-Li-Cu-Sc (by 26.6%), although it had minimal effect on Al-Li-Cu.

Particle emissions during machining were primarily influenced by cutting speed, followed by alloy hardness and feed rate. The Al-Li-Cu-Sc alloy, despite its high hardness, demonstrated superior machinability due to refined microstructure enabled by scandium additions.

The findings highlight the importance of optimized heat treatments and improving machining parameters in developing lightweight, high-strength materials for aerospace components with superior surface quality and machining precision.

Titre traduit

Étude d'usinabilité des alliages d'aluminium-lithium pour les applications aérospatiales: influences des traitements thermiques et des conditions d'usinage

Résumé traduit

Cette thèse étudie l'usinabilité des alliages avances aluminium-lithium (Al-Li, Al-Li-Cu et Al- Li-Cu-Sc), appréciés pour leur faible densité, leur haute résistance a la traction et leur résistance à la corrosion, qualités essentielles pour les applications aérospatiales. Cependant, des défis subsistent, notamment la réduction de la rugosité de surface, des forces de coupe et des émissions de fines particules métalliques. Cette étude propose une analyse détaillée des effets de la composition des alliages, des traitements thermiques et des paramètres d’usinage sur ces défis, comblant ainsi un vide dans la littérature en examinant les impacts des ajouts de scandium et de cuivre sur les alliages Al-Li, leurs traitements thermiques et leur usinabilité.

Les traitements thermiques ont été optimises pour chaque alliage afin d'atteindre la dureté maximale. L’alliage Al-Li a atteint 97 HV avec un traitement de solution à 580 °C/1 h suivi d’un vieillissement artificiel à 150 °C/45 h, tandis que les alliages Al-Li-Cu et Al-Li-Cu-Sc ont atteint respectivement 164 HV et 182,7 HV avec un traitement de solution à 505 °C/5 h suivi d’un vieillissement à 180 °C/20 h. Des expériences de fraisage en bout ont été réalisées avec une profondeur de coupe constante (2 mm), en conditions sèches et humides, en faisant varier les avances (0,05–0,15 mm/dent) et les vitesses de coupe (200–600 m/min).

Les résultats clés montrent que l’alliage Al-Li a nécessité la plus faible force d’usinage (52,3 N), tandis que les alliages Al-Li-Cu et Al-Li-Cu-Sc ont nécessité respectivement 90 N et 67 N. Les forces de coupe ont diminué avec des vitesses de coupe plus élevées et augmente avec des avances plus élevées pour tous les alliages. L’utilisation d’un fluide de coupe a significativement amélioré l’état de surface de l’Al-Li (de 32,2 %) et réduit les forces de coupe pour l’Al-Li-Cu-Sc (de 26,6 %), bien que son effet sur l’Al-Li-Cu ait été limité.

Les émissions de particules lors de l’usinage étaient principalement influencées par la vitesse de coupe, suivie de la dureté de l’alliage et de l’avance. L’alliage Al-Li-Cu-Sc, malgré sa haute dureté, a démontré une usinabilité supérieure grâce à une microstructure affinée par l’ajout de scandium.

Les résultats soulignent l’importance des traitements thermiques optimisés et des paramètres d’usinage pour développer des matériaux légers et résistants, adaptes aux composants aérospatiaux avec une qualité de surface et une précision d’usinage supérieures.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de Technologie Supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 197-217).
Mots-clés libres:	alliages à base d'Al-Li, traitement thermique, usinabilité, rugosité de surface, force de coupe, émission de particules
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Songmene, Victor
Codirecteur:	Codirecteur Fawzy Hosny, Samuel
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 mai 2025 15:36
Dernière modification:	23 mai 2025 15:36
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3602

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