Εlabοratiοn de l’alliage Νi 20 wt. % Cr par fusiοn sélective laser

La fabrication additive (FA) regroupe l’ensemble des techniques permettant d’obtenir une pièce par un assemblage couche par couche d’un ou plusieurs matériaux. Cette nouvelle façon de mettre en forme les matériaux connaît depuis 1984, un développement important permettant aujourd’hui de pouvoir élaborer un nombre conséquent de matériaux différents (polymères, céramiques, métaux, composites…). Pour les matériaux métalliques, parmi l’ensemble des procédés développés, la fusion sélective laser sur lit de poudre est le procédé majoritairement utilisé que ce soit dans le milieu industriel ou académique. Ce travail de thèse s’articule autour d’un projet plus global de structuration de la fabrication additive dans la région Normandie par collaboration d’acteurs industriels (NAE, Ariane Group, Volum-e, Analyse et Surface) et académiques (CRISMAT, GPM). C’est dans ce sens que le laboratoire CRISMAT a pu faire l’acquisition d’une machine de fusion sélective laser sur lit de poudre utilisée pour l’élaboration des échantillons de ces travaux de thèse.

La fabrication additive (FA) 

Éléments généraux 

La fabrication additive est qualifiée selon l’ASTM comme un processus permettant
d’élaborer un objet 3D par ajout successif de matière [9]. Cette méthode de fabrication se distingue des procédés classiques de fabrication où l’élaboration se fait de manière soustractive et ouvre la voie à une nouvelle façon de penser la mise en forme des matériaux. En outre, de mettre en forme un large panel de matériaux tels que des polymères, des céramiques, des bétons, des composites et des matériaux métalliques [10]–[14]. Cette diversité en termes de matériaux a été permise grâce à un nombre de procédés conséquent développés depuis plus de 30 ans permettant de répondre aux contraintes de fabrication de chaque matériau.

Une liste exhaustive des procédés utilisés en FA pour l’ensemble des matériaux est fastidieuse tant le nombre de procédés est important. Cependant, pour les matériaux métalliques, l’ASTM classe l’ensemble des procédés de FA en 7 familles [15]. Les procédés sont classés selon la matière utilisée (poudre, fil, tôles) mais également par le moyen physique utilisé pour la mise en forme. Par ailleurs, il est également à souligner que certains procédés (extrusion de matière, photopolymérisation, dépôt de liant) nécessitent plusieurs étapes pour obtenir la pièce voulue. L’utilisation de liant polymère pour ces procédés conduit à la nécessité d’une étape de déliantage puis de frittage avant d’obtenir la pièce.

Parmi l’ensemble des procédés de fabrication additive, des étapes communes existent. La pièce est d’abord dessinée en 3D à la géométrie et aux dimensions voulues à l’aide d’un logiciel de CAO (Conception Assistée par Ordinateur). L’étape de préparation de la fabrication est effectuée numériquement à l’aide d’un logiciel spécifique. La préparation numérique de la pièce permet de mettre en place les supports nécessaires pour le bon déroulé de la fabrication. De plus, le découpage de la pièce en tranches est également effectué, celui-ci permettant de définir le schéma d’élaboration de chaque couche. La phase d’élaboration est ensuite effectuée par ajout couche par couche de la matière. Une fois l’objet 3D formé, un post-traitement est nécessaire afin de retirer les supports de fabrication. Selon les procédés de FA, d’autres étapes de posttraitement peuvent être nécessaires pour obtenir la pièce finale.

Procédés de fusion sur lit de poudre

Parmi l’ensemble des procédés de FA pour les matériaux métalliques, les procédés de fusion sur lit de poudre sont les plus couramment utilisés dans l’industrie et dans la recherche académique [1]. La matière sous forme de poudre est déposée sur un substrat métallique, la hauteur de poudre déposée est définie préalablement par l’utilisateur de la machine. La couche de poudre est ensuite fondue par un faisceau laser ou d’électrons de haute énergie selon le plan de la couche. Ensuite, le substrat descend d’une hauteur correspondant à l’épaisseur de couche voulue et le système dépose alors une nouvelle couche de poudre. Ces différentes étapes sont répétées jusqu’à formation de la pièce.

Fusion sélective par faisceau d’électrons 

Le procédé de fusion sélective par faisceau d’électrons (EBM) est uniquement commercialisé par la société suédoise Arcam depuis 1997.Le principe de fonctionnement est similaire à celui d’un microscope électronique à balayage [24]. Le faisceau d’électrons est créé par chauffage d’un filament en tungstène en haut de la colonne. Ce faisceau va être ensuite accéléré et collimaté. Des lentilles magnétiques en bas de la colonne permettent la focalisation du faisceau et le contrôle son déplacement. Afin d’éviter toute altération du faisceau, la chambre de fabrication et la colonne sont maintenues sous vide (< 10⁻³ mbar). Durant la fusion de la matière, quelques ppm d’hélium sont ajoutées pour évacuer les charges électrostatiques de la poudre et assurer la stabilité thermique du processus.

La couche de poudre est déposée sur un substrat métallique préalablement chauffé. La température de préchauffe est dépendante du matériau, celle-ci est généralement comprise entre 300°C et 1100°C [25]. La fusion de la matière s’effectue en deux étapes. La première étape consiste à déplacer le faisceau d’électrons sur l’entièreté du lit de poudre avec une faible puissance et une forte vitesse (10 m/s). Cette étape de préchauffage permet de fritter en partie la poudre augmentant ainsi sa conductivité électrique, mais également de limiter la formation de fumée. Ensuite, le balayage à faible vitesse et à forte puissance permet la fusion de la matière. Lorsque la pièce est entièrement formée, la poudre frittée entourant la pièce est séparée par sablage en utilisant la même poudre comme agent d’abrasion.  L’utilisation d’un faisceau d’électrons pour fondre la poudre contraint la mise en forme essentiellement aux matériaux les plus conducteurs (métaux purs et alliages). Les principaux alliages élaborés par EBM sont les alliages de nickel, de cobalt, de cuivre, de titane et les aciers .

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART
I) LA FABRICATION ADDITIVE (FA)
1) Eléments généraux
2) Procédés de fusion sur lit de poudre
II) GENERALITES SUR LES ALLIAGES NICKEL-CHROME
1) Éléments de métallurgie
2) Propriétés mécaniques de l’alliage Ni 20 wt. % Cr
III) ALLIAGES BASE-NICKEL EN FUSION SELECTIVE LASER
1) Principaux alliages élaborés
2) Formation de défauts
3) Microstructure en fusion sélective laser
4) Propriétés mécaniques en traction
5) L’alliage Ni 20 wt. % Cr en FA
CHAPITRE II : PRESENTATION DU PROCEDE DE FABRICATION ADDITIVE
I) CARACTERISATIONS DE LA POUDRE
1) Composition chimique et phase en présence
2) Morphologie et granulométrie
3) Masse volumique
II) PROCEDE DE FABRICATION ADDITIVE
1) Étapes de fabrication
2) Caractéristiques techniques de la machine SLM 125 HL
3) Stratégie et paramètres de fabrication
CHAPITRE III : OPTIMISATION DU PROCEDE ET CONTROLE DES MICROSTRUCTURES
I) OPTIMISATION DU PROCEDE DE FABRICATION
1) Évolution de la densité selon l’énergie de fabrication
2) Identification des défauts
3) Gamme optimale de vitesse et de puissance laser
IV) EFFET DES PARAMETRES SUR LA MICROSTRUCTURE
1) Description générale de la microstructure
2) Etude des bains de fusion
3) Texture et taille de grains
4) Structure dendritique cellulaire
5) Cartographie de solidification
V) SYNTHESE DU CHAPITRE
CHAPITRE IV : COMPORTEMENT MECANIQUE EN TRACTION
I) METHODOLOGIE EXPERIMENTALE
1) Présentation de la machine
2) Analyse des courbes de traction nominales
3) Paramètres de fabrication
II) ÉVOLUTION GLOBALE DU COMPORTEMENT MECANIQUE
1) Courbes nominales de traction
2) Comportement dans le domaine élastique
III) ÉCROUISSAGE DE L’ALLIAGE NI 20 WT. % CR EN FA
1) Contraintes et déformations vraies
2) Modélisation de la courbe de traction
3) Impact de la microstructure sur le comportement mécanique
IV) IMPACT DES PARAMETRES SUR LA RUPTURE EN TRACTION
1) Forme générale du faciès
2) Etude des mécanismes de la rupture
V) SYNTHESE DU CHAPITRE
CHAPITRE V : STABILITE THERMIQUE DE LA MICROSTRUCTURE ET DES PROPRIETES MECANIQUES
CONCLUSION GENERALE

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