Une nouvelle approche d'apprentissage automatique pour la quantification de la rugosité de surface et l'optimisation de la coulée

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13369 (2023) Citer cet article

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La rugosité de la surface a un impact négatif sur la durée de vie des matériaux. Il accélère la corrosion par piqûre, augmente le transfert de chaleur efficace et augmente le taux de perte de charge effective. Cependant, une rugosité de surface contrôlée est souhaitable dans de nombreuses applications. La batterie automobile au plomb est très sensible à de tels effets. Dans notre étude de cas, la machine de coulée sur feuillard a l’effet le plus important sur la rugosité de surface de l’alliage plomb-antimoine. À cet égard, les fonctions de corrélation statistique sont couramment utilisées comme descripteurs statistiques morphologiques pour les fonctions de corrélation hétérogènes. Les fonctions de corrélation à deux points sont des outils utiles pour quantifier la microstructure des structures matérielles à deux phases. Ici, nous démontrons l'utilisation de la fonction de corrélation à deux points pour quantifier la rugosité de la surface et optimiser les pôles et les sangles en plomb-antimoine utilisés dans la batterie au plomb comme solution pour réduire leur corrosion électrochimique lorsqu'ils sont utilisés dans des milieux hautement corrosifs. Cependant, nous en déduisons que cette méthode peut être utilisée dans la cartographie de la rugosité de surface dans un large éventail d'applications, telles que les tuyaux immergés dans l'eau de mer ainsi que la découpe laser. La possibilité d'utiliser les informations obtenues à partir de la fonction de corrélation à deux points et d'appliquer la procédure de recuit simulé pour optimiser les micro-irrégularités de surface est étudiée. Les résultats ont montré une représentation et une optimisation réussies de la surface, en accord avec l’hypothèse initialement proposée.

Le joyau de la science des matériaux est le tétraèdre des matériaux. Connaître ces relations importantes entre ses composants est la clé pour concevoir de nouveaux matériaux dotés des propriétés souhaitées. Les caractéristiques de surface peuvent aider à prédire la défaillance des matériaux. Dans l'industrie des batteries au plomb, les pôles et les sangles (connecteurs entre chaque cellule électrochimique) sont importants pour la connexion du courant électrique et thermique dans la batterie1. Par conséquent, contrôler l’apparition de fissures superficielles dans ces matériaux est crucial pour améliorer les performances et les processus de fabrication des batteries, ainsi que pour aider à la conception de composants de batteries au plomb de plus faible masse, réduisant ainsi la consommation et la toxicité du plomb. Les pôles et les sangles sont illustrés à la figure 1. Alors que les pôles sont les bornes de la batterie, les sangles relient les plaques positives entre elles et les plaques négatives entre elles dans chaque élément de batterie de 2,1 V pour former une pile de batterie de 12,6 V2. Lors du processus de soudage des plaques sur chaque sangle, les pattes des plaques sont fluxées et soudées, produisant une surface très rugueuse. Les sangles de batterie sont immergées dans un milieu corrosif (acide sulfurique de 1,27 à 1,28 sp. gr)2. Les surfaces rugueuses influencent la corrosion électrochimique des matériaux, entraînant une mauvaise conductivité électrique, une mauvaise conductivité thermique et l'initiation de fissures de fatigue pendant le fonctionnement3,4,5. Nous avons observé empiriquement que de nombreux pôles de batteries explosaient sous des taux de décharge élevés. La rugosité est le principal paramètre d’influence de la corrosion générale qui est largement étudié dans la littérature dans d’autres systèmes de matériaux. Cependant, dans notre système, la production de pôles et de connecteurs entre des cellules à surface rugueuse peut faire la même chose que d'autres systèmes métalliques augmentant la corrosion, des chemins de cavité peuvent être produits en raison de la fragilisation gazeuse conduisant à la propagation de fissures de surface vers le noyau. Pendant que la batterie fonctionne, des gaz d'hydrogène et d'oxygène continus s'élèvent par réaction chimique, les vibrations de la batterie peuvent également entraîner une fatigue en cas de fissures initiales influencées par la corrosion. Dans les échantillons à forte corrosion progressive, des cavités de plus grand diamètre et des chemins de corrosion se trouvent sur les pôles peuvent également conduire à une explosion des pôles influencée par les retraits de surface, limitant toute tentative d'amélioration de la cyclabilité de la batterie en cas de corrosion hautement progressive.