Défis de Corrosion dans les Matériaux Automobiles Légers

Dans l'industrie automobile, l'intérêt pour les matériaux de construction légers ne cesse de croître afin d'atteindre une meilleure économie de carburant et de répondre aux exigences réglementaires. La plupart des constructeurs automobiles utilisent les avancées récentes dans les aciers à haute résistance, les aciers ultra-haute résistance, les alliages d'aluminium, les alliages de magnésium et les composites. Historiquement, l'aluminium a été populaire car il offre une excellente résistance à la corrosion par rapport au fer et à l'acier traditionnels. Cet article explorera la poursuite de matériaux encore plus légers, qui peuvent ou non offrir une résistance à la corrosion tout aussi bonne.

Corrosion du Magnésium et Solutions de Protection dans l'Industrie Automobile

Le magnésium est le métal d'ingénierie le plus léger utilisé pour les applications structurelles. Cependant, la croissance du magnésium dans le secteur automobile a été relativement limitée en raison de la faible résistance à la corrosion du magnésium et de ses alliages. Le magnésium a le potentiel électrochimique le plus bas (le moins noble) de tous les métaux utilisés pour les pièces automobiles. Comparé à l'aluminium, qui est aussi un métal réactif, le magnésium a une couche d'oxyde de surface poreuse et non protectrice qui ne fournit pas de passivation contre la corrosion.

Une étape majeure pour améliorer la résistance à la corrosion des alliages de magnésium a été l'introduction d'alliages à haute pureté, mais cela ne change pas les problèmes de corrosion galvanique qui surviennent lorsque le magnésium est en contact avec un autre métal et un électrolyte. (En savoir plus sur la corrosion galvanique dans l'article Pourquoi Deux Métaux Dissemblables Provoquent-ils la Corrosion ?)

L'utilisation d'un revêtement barrière est une solution possible pour prévenir la corrosion des alliages de magnésium. Cependant, les revêtements barrières ont aussi le potentiel de créer des rapports anode/cathode défavorables aux sites de défauts de revêtement. L'expérience antérieure a indiqué que la plupart des revêtements organiques actuels ou à base d'époxy ne peuvent pas empêcher de manière permanente la pénétration d'un électrolyte aqueux dans le substrat de magnésium sous-jacent. Une fois qu'un électrolyte aqueux atteint un substrat de magnésium, la réaction de corrosion peut s'initier sans besoin d'oxygène et entraîner la génération d'hydrogène. L'hydrogène entraînera alors la formation de cloques sous le revêtement et compromettra éventuellement le système de protection contre la corrosion.

L'ingénieur corrosion n'est généralement pas impliqué dans les premières étapes de la conception automobile, qui est généralement plus axée sur l'analyse par éléments finis (AEF) pour les exigences structurelles et la simulation d'écoulement pour le processus de coulée. Pour répondre aux problèmes ci-dessus, les points clés suivants doivent être considérés :

• À court terme, le développement d'un système de revêtement robuste, auto-réparateur, abordable et respectueux de l'environnement pour les alliages de magnésium devrait être une priorité. Le système de revêtement doit avoir une résistance aux rayures et répondre aux exigences existantes de l'industrie, telles que les normes GMW/SAE/ISO. Pour être économiquement compétitif, un coût cible idéal devrait être inférieur à 1 USD/m².
• À plus long terme, un alliage de magnésium résistant à la corrosion devrait avoir un taux de corrosion inférieur à 0,1 mm/an (généralement après 7 jours d'immersion dans une solution NaCl à 3,5 % en poids) ou avoir une performance de corrosion équivalente ou supérieure à celle des alliages d'aluminium compétitifs (tels que Silafont 36, A356, ou même les alliages AA5xxx et AA6xxx) dans les tests de corrosion standard de l'industrie. Cela peut être réalisé en ajoutant des éléments d'alliage pour promouvoir la résistance à la corrosion ou favoriser le développement d'un film passif dense à la surface.
• Les revêtements de surface peuvent élargir la gamme d'applications automobiles possibles pour le magnésium. L'oxydation électrolytique par plasma (PEO) comme revêtement de surface est une solution pour les ingénieurs automobiles conçant et spécifiant des composants et sous-ensembles automobiles. La technologie unique du PEO utilise un bain d'électrolyte et un plasma avec trois étapes distinctes qui forment un revêtement duplex de type céramique sur les alliages de magnésium. Le processus peut être ajusté à chaque étape pour créer des revêtements sur mesure pour des besoins précis. La couche supérieure du revêtement multicouche est également hautement poreuse et peut incorporer le contenu du bain électrolytique dans le revêtement de surface pour inclure des propriétés additionnelles.

Corrosion Galvanique entre Polymères Renforcés par Fibres de Carbone et Métaux

Le carbone est utilisé comme phase de renforcement dans les composites polymères renforcés par fibres de carbone (CFRP). Les CFRP sont attractifs pour les ingénieurs car ils possèdent une résistance spécifique élevée et sont des matériaux légers pour les applications automobiles.

Les composites renforcés par fibres seuls sont considérés comme résistants à la corrosion. Cependant, lorsqu'ils sont joints avec des métaux, cela peut créer des problèmes de corrosion. Les CFRP sont électriquement conducteurs et électrochimiquement très nobles. Par conséquent, lorsqu'un métal ou alliage est inappropriément joint avec des CFRP (de sorte qu'il y a une connexion électrique), le métal est sensible à la corrosion galvanique. (Pour plus d'informations, lire Corrosion Galvanique des Métaux Connectés aux Polymères Renforcés par Fibres de Carbone.)

Lorsqu'ils sont couplés avec un élément de fixation, boulon ou écrou, la situation s'aggrave car une grande surface de CFRP est couplée à de petites pièces métalliques. Dans ces circonstances, le taux de corrosion galvanique peut être accéléré en raison d'un rapport surface cathodique/anodique (Ac/Aa) élevé.

La corrosion galvanique des métaux couplés à des matériaux composites en carbone a été signalée depuis les années 1970. Cependant, les matériaux appropriés et la conception appropriée des méthodes de jonction des matériaux n'ont pas encore été déterminés.

La demande continue de CFRP dans les applications automobiles nécessite une étude systématique plus approfondie de la corrosion galvanique entre les composites en fibres de carbone et les matériaux d'ingénierie automobile, y compris une gamme d'aciers (avec une gamme de traitements de surface) et de nombreux alliages d'aluminium. Particulièrement importante est l'influence des différentes combinaisons de matériaux, géométries et méthodes de jonction sur l'intensité de corrosion subséquente.

Corrosion Galvanique pour la Stratégie Matériaux Mixtes au Stade Body-in-White

Le stade body-in-white (BIW) fait référence à l'étape de la fabrication automobile dans laquelle les composants de la carrosserie ont été joints ensemble. Traditionnellement, un véhicule entier est fait de matériaux mixtes qui sont attachés séquentiellement à une carrosserie principalement en acier lors de l'assemblage final. Pour atteindre un véhicule encore plus léger avec une rigidité plus élevée, un « hybride » plus compliqué de différents matériaux est requis pour la structure de la carrosserie. (Lecture connexe : Ce que les Nouvelles Études en Science des Matériaux Suggèrent sur le Contrôle de la Corrosion dans le Futur.)

La Cadillac CT6, qui est le premier véhicule de General Motors fait de matériaux mixtes, incorpore plusieurs nuances de tôles d'acier, tôles d'aluminium, fonderies et extrusions comme montré à la Figure 1. D'autres véhicules, comme la Chevrolet Malibu, suivent également une tendance similaire.

Les matériaux et alliages dissemblables créent des défis en termes de corrosion galvanique et de leurs différents coefficients de dilatation thermique. Les méthodes de simulation numérique ont démontré le potentiel de prédire la distribution du courant galvanique.

Dans les applications automobiles, le matériau peut être considéré comme étant sous un film mince d'un environnement électrolytique. Par conséquent, le comportement de corrosion (et le comportement de corrosion galvanique) sera complexe en raison du système électrochimique et du chemin de conductivité évoluant ou changeant constamment.

Récemment, un modèle à film mince a été développé par une entreprise logicielle pour simuler la corrosion galvanique sous un film électrolytique mince, avec une poursuite logique étant la validation expérimentale généralisée de tels modèles. L'étude initiale a été prometteuse, indiquant la perspective de prédire les résultats des tests de brouillard salin au niveau composant. Avec un développement supplémentaire, de telles approches combinées modélisation-expérimentation peuvent être utiles pour simuler la distribution totale du courant et du potentiel d'un véhicule entier en matériaux mixtes.

La Simulation Offre une Approche Plus Facile pour Modéliser la Corrosion

La modélisation de la corrosion permet à un ingénieur d'anticiper la probabilité de corrosion de tout composant sur une période donnée. Des paramètres tels que l'humidité relative et la densité de charge en sel peuvent être entrés comme paramètres. Les résultats de la simulation peuvent être comparés aux tests de brouillard salin réels pour vérifier la durée de vie du revêtement en termes de résistance à la corrosion et aussi pour vérifier la corrélation des résultats.

L'Avenir de la Protection Contre la Corrosion Inspiré par les Nouvelles Technologies

Les véhicules intègrent maintenant un nombre significatif de fonctions « intelligentes » telles que la surveillance de la pression des pneus et d'autres systèmes de diagnostic intelligents qui sont devenus une norme de l'industrie. On peut donc s'attendre à ce qu'un système de surveillance de la corrosion puisse être réalisé à l'avenir. Par exemple, des capteurs appropriés, capables de surveiller en temps réel les taux de corrosion aux emplacements critiques, pourraient potentiellement fournir des avertissements avant la défaillance du système.

De plus, l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle peuvent collecter des données de corrosion sur le terrain et effectuer une analyse de données à distance pour générer une corrélation labo-terrain plus précise. C'est crucial et pertinent pour le domaine plus large de la corrosion, qui peut compléter et augmenter l'expérience des ingénieurs individuels.