Soutenance mémoire
la Fabrication additive des alliages métalliques
Selon la norme NF E67-001 & ASTM F42, la Fabrication additive est l’ensemble des procédés permettant de fabriquer couche par couche, par ajout de matière (généralement poudre ou fil), un objet physique à partir d’un objet numérique en opposition aux procédés de fabrication dits soustractifs tels que l’usinage ou la forge qui travaillent par enlèvement de matière ou déformation d’un brut initial.
On peut distinguer trois types d’usage de la Fabrication Additive : (1) le prototypage rapide (pièces prototypes), (2) l’outillage rapide (par exemple, réalisation de moules ou de matrices de forge), (3) la fabrication directe (pièces répondant directement aux caractéristiques fonctionnelles attendues du produit final).
LES ENJEUX DE LA FABRICATION ADDITIVE
La Fabrication Additive (FA) englobe un ensemble de procédés de fabrication directe qui concurrencent de plus en plus les procédés dit conventionnels comme la fonderie et la forge. C’est pour ces raisons que les industriels se tournent vers ces procédés, et ce dans un nombre important de secteurs d’application .
Historiquement la FA concernait à ses débuts les matériaux polymères. Petit à petit, les avancées technologiques ont permis de rendre la FA attractive pour les matériaux métalliques notamment pour élaborer des pièces difficilement usinables ou pour mettre en forme des matériaux fortement réactifs. La courbe de l’évolution des ventes de machine de FA métalliques depuis les années 2000 ou la courbe des revenus de la FA métallique depuis 2009 (Figure 1-2) montrent bien l’engouement pour ces procédés qui permettent de produire des pièces complexes rapidement.
La FA est un cycle complet d’étapes, de préparation et de transformation de la matière (Figure 1-3). Le matériau initial se présente sous forme de poudre. Les deux premières étapes concernent : (1) la préparation et la mise en condition des poudres, (2) la conceptionréalisation des pièces via un modèle CAO, qui sera par la suite directement envoyé à la machine pour commander et réaliser les différentes trajectoires et étapes nécessaire à la réalisation de la pièce. Ce sont les étapes de préfabrication.
A l’issue de la mise en œuvre du procédé additif (par les différents procédés évoqués plus loin), interviennent les étapes de post-fabrication donc de finition, qui sont au nombre de quatre :
(1) le traitement thermique de détensionnement,
(2) la désolidarisation du substrat,
(3) le traitement de densification par HIP et enfin,
(4) la finition des états de surface et l’éventuelle remise aux cotes. La remise en condition de la machine passera ensuite par des étapes de nettoyage et surtout de recyclage des poudres.
LES PROCEDES DE FABRICATION ADDITIVE DIRECTE DES ALLIAGES METALLIQUES
Le procédé DMD
Le procédé de fabrication directe par laser (FDPL/DMD = Direct Metal Deposition) ou selon une terminologie plus précise de « fabrication directe par fusion laser de poudre projetée » est un procédé de fabrication additive dérivé des procédés de cladding et de rechargement laser utilisés jusqu’alors pour le traitement de surface ou la réparation des pièces métalliques. L’idée de l’emploi de ce procédé en tant que procédé de fabrication est apparue au milieu des années 90 avec notamment le développement du Laser Engineered Net Shaping (LENS® ) par le laboratoire national américain Sandia. Sa première utilisation industrielle fut la fabrication de composants d’armes nucléaires de très faible volume (Morville, 2012).
Ce procédé repose sur l’utilisation combinée d’un laser de puissance et d’un dispositif de distribution de poudre (buse) coaxial ou à injection latérale (Peyre, 2014). Concrètement, la poudre, transportée par un gaz vecteur inerte (Argon, Hélium, Azote), est injectée dans le bain liquide métallique formé dans le substrat par l’interaction laser-matière. La poudre peut alors s’échauffer, voire fondre sur son temps de vol, mais la fusion intervient surtout lors du contact avec le bain liquide métallique. Le substrat peut alors être considéré comme un creuset alimenté en poudre métallique, et les hauteurs des couches unitaires formées dépendent des paramètres du procédé. Via un fichier stl (CAO) représentant la pièce tranchée, et l’utilisation d’une machine 5 axes, des pièces complexes peuvent alors être construites couche par couche par montée successive de la buse de projection et repositionnement simultané du substrat .
Différents paramètres opératoires conditionnent alors la qualité des pièces formées à commencer par :
– la puissance laser (W),
– la vitesse de déplacement de la table ou du système de projection (m/s),
– le débit massique de poudre (g/s).
Et, au second ordre :
– la pression du gaz porteur,
– le type de gaz porteur utilisé,
– la distribution spatiale de puissance laser (W.m-²) et de débit massique (g.s-1 .m-²),
– les niveaux de défocalisation faisceau laser / jet de poudre.
Si le procédé de FDPL a connu différentes évolutions technologiques, c’est aujourd’hui un procédé mature, mais permettant d’élaborer des architectures métalliques moins complexes que le procédé de fusion laser sélective SLM, essentiellement en raison de la largeur des murs unitaires (supérieure à 0.5 mm) liée au diamètre des jets de poudre focalisés utilisés. Le procédé permet toutefois de réaliser des pièces de plus grande taille (1 m) avec des temps de fabrication réduits. Comme pour les autres procédés de fabrication additive, l’un de ses inconvénients est la mauvaise qualité des états de surface obtenus (Ra généralement > 15 µm sauf après processus d’optimisation (Gharbi, 2013)).
Le procédé SLM
Le procédé de Selective Laser Melting ou SLM est issu du frittage par laser des matériaux métalliques. Historiquement, le frittage laser (Selective laser Sintering SLS) a été breveté en 1992 par Deckard (université du Texas), mais il faudra attendre 1995 pour que les premiers brevets de SLM soient déposés par les sociétés EOS et ERD, (3Dnatives, 2015). Le procédé SLM permet la fabrication rapide de pièces finies ou semi-finies complexes en petite et moyenne série. Les pièces sont réalisées par une fusion laser sélective d’une succession de lits de poudre et permet d’obtenir des résistances de pièce comparables aux résistances obtenues par des procédés de fonderie (Abed, 2015). Le procédé repose sur la fusion sélective d’un lit de poudre par couches successives. Une couche de poudre est ainsi étalée sur un substrat. Le laser va alors fusionner sélectivement la poudre métallique. Une fois consolidée une nouvelle couche est déposée puis fondue jusqu’à création de la pièce complète (Figure 1-6). L’avantage de ce procédé vient de la précision des pièces réalisées, grâce aux fines épaisseurs de parois réalisables (0.1 mm) et aux faibles épaisseurs de couche (< 40 µm). Ce procédé permet également de réaliser des architectures complexes (Figure 1-9), ce qui est un atout important par exemple pour l’industrie aéronautique qui cherche en permanence à alléger les structures.
Contrairement au procédé de fusion de poudre polymère, la plupart des pièces en cours de fabrication nécessitent l’élaboration de supports pour maintenir la pièce en position lors de la fabrication dans le lit de poudre. Ils sont donc réalisés en même temps que la pièce puis éliminés lors de la désolidarisation.
L’un des principaux inconvénients des machines de SLM fut longtemps la taille des plateaux de fabrication qui ne permettaient pas de réaliser des pièces de grandes dimensions. La tendance actuelle (Figure 1-7) s’oriente vers des machines capables de fabriquer des couches de plus en plus fines (> 20 µm) sur des plateaux de fabrication de plus en plus grands (> 500 mm), permettant ainsi d’améliorer les états de surfaces des pièces réalisées tout en augmentant leurs dimensions. Les développements actuels vont également vers l’utilisation de machines multi-sources laser (4 sources simultanément) permettant de construire plus rapidement sur des grands plateaux .
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I ETAT DE L’ART SUR LES PROCEDES DE FABRICATION ADDITIVE ET LES COMPOSITES A MATRICE TITANE (CMTI)
INTRODUCTION
PARTIE 1 : LA FABRICATION ADDITIVE DES ALLIAGES METALLIQUES
1 LES ENJEUX DE LA FABRICATION ADDITIVE
2 LES PROCEDES DE FABRICATION ADDITIVE DIRECTE DES ALLIAGES METALLIQUES
2.1 LE PROCEDE DMD
2.2 LE PROCEDE SLM
2.3 LE PROCEDE EBM
2.4 COMPARATIF DES PROCEDES DE FABRICATION DIRECTE METALLIQUE
PARTIE 2 : LES COMPOSITES A MATRICE TITANE
1 LES ALLIAGES DE TITANE
1.1 GENERALITES
1.2 LA METALLURGIE DES ALLIAGES DE TITANE
1.3 L’ALLIAGE TI-6AL-4V
1.3.1 Généralités
1.3.2 Cristallographie
1.3.3 Microstructures
1.3.4 Modes de durcissement du Ti-6Al-4V
1.3.5 Propriétés mécaniques du Ti-6Al-4V
2 LES COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE (CMM)
2.1 GENERALITES SUR LES CMM
2.2 TYPES DE RENFORTS PARTICULAIRES ET MODES D’ELABORATION CLASSIQUES DES CMMP
2.3 PROPRIETES MECANIQUES DES CMM A RENFORTS PARTICULAIRES
2.3.1 Généralités
2.3.2 Influence du taux de renforts
2.3.3 Influence de la taille et de la géométrie des renforts
2.3.4 Mode de rupture des CMM particulaires
2.3.5 Modélisation analytique des propriétés mécaniques des CMM
3 LES COMPOSITES A MATRICES TITANE (CMTI)
3.1 GENERALITES SUR LES CMTI
3.2 LES PRINCIPAUX RENFORTS PARTICULAIRES UTILISES DANS LES CMTI
3.2.1 Critères de choix des renforts
3.2.2 Le borure de titane TiB
3.2.3 Le carbure de titane TiC
3.2.4 Utilisation de renforts (TiC + TiB)
3.2.5 Le carbure de silicium SiC
3.2.6 Le nitrure de titane TiN
3.2.7 Le diborure de zirconium ZrB2
3.2.8 Le carbure de tungstène WC
3.2.9 Les renforts à base de terres rares
4 ELABORATION DES COMPOSITES A MATRICE TITANE RENFORCES PAR TIB ET/OU TIC
4.1 DEUX PROCESSUS D’ELABORATION DES RENFORTS AU SEIN DU COMPOSITE
4.1.1 Méthode ex-situ
4.1.2 Méthode In-situ
4.2 PROCEDES D’ELABORATION DE COMPOSITES A MATRICE TITANE RENFORCES PAR TIB/TIC. RELATIONS PROCEDES – MICROSTRUCTURE – PROPRIETES MECANIQUES
4.2.1 Elaboration de CMTi par fonderie – fusion sous vide (Vacuum Arc Remelting)
4.2.2 Procédé SHS (Self propagation High temperature Synthesis)
4.2.3 Fabrication additive de CMTi par projection thermique
4.2.4 Les procédés à l’état solide: Frittage/métallurgie des poudres
4.2.5 Elaboration de CMTi par fusion laser de poudres
5 CONCLUSION : ORIENTATIONS CHOISIES POUR LE DEBUT DE LA THESE
CHAPITRE II TECHNIQUES EXPERIMENTALES
PARTIE 1 : PROCEDE DE FABRICATION ADDITIVE ET TECHNIQUES D’ANALYSE
1 ELABORATION ET TRAITEMENT THERMIQUE DES MATERIAUX
1.1 ESSAIS DE FABRICATION DIRECTE PAR FUSION LASER DE POUDRE PROJETEE (FDPL)
1.1.1 Poste instrumenté de FDPL
1.1.1 Instrumentation : analyse de zones fondues, mesures thermiques
1.1.2 Essais de FDPL sur machine industrielle
1.1.3 Mise en œuvre des essais, conditions expérimentales
1.2 TRAITEMENT THERMIQUE
2 PREPARATION METALLOGRAPHIQUE
2.1 DECOUPE ET ENROBAGE
2.2 POLISSAGE
2.3 ATTAQUE CHIMIQUE
3 CARACTERISATION MICROSTRUCTURALE
3.1 MICROSCOPIE OPTIQUE
3.2 MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE ET EDS
3.3 DIFFRACTION DES RAYONS X
3.4 DIFFRACTION DES ELECTRONS RETRODIFFUSES (EBSD)
1.2 ANALYSE DU TAUX D’OXYGENE
4 CARACTERISATION MECANIQUE
4.1 MICRO-DURETE
4.2 MESURE DES MODULES D’YOUNG PAR METHODE ULTRASONORE
4.3 ESSAIS DE TRACTION
4.4 CARACTERISATION DES PROPRIETES SOUS CHARGEMENT DYNAMIQUE DE TYPE CHOC LASER
PARTIE 2 : OPTIMISATION DES MELANGES ET DES JETS DE POUDRE
1 INTRODUCTION
2 LES DIFFERENTS TYPES DE POUDRES UTILISES
2.1 TYPES DE POUDRES ET FOURNISSEURS
2.1.1 Matrice
2.1.2 Poudres de renforts céramiques
3 REALISATION DES MELANGES
3.1 MELANGES TI-6AL-4V / B4C
3.2 MELANGES TI-6AL-4V / TIC
3.2.1 Mélange par voie liquide
3.2.2 Mélange par voie sèche.
3.2.3 Broyage mécanique
3.3 MELANGES TI-6AL-4V / ZRB2
4 ETUDE EXPERIMENTALE DE LA COULABILITE DE LA POUDRE
4.1 MONTAGE EXPERIMENTAL
4.2 RESULTATS
5 CARACTERISATION DES JETS DE POUDRE
5.1 MONTAGE EXPERIMENTAL
5.2 INFLUENCE DU DEBIT DE GAZ PORTEUR
5.3 INFLUENCE DE LA TAILLE DES PARTICULES DE RENFORTS (TI-6AL-4V / TIC)
5.4 INFLUENCE DU TAUX DE RENFORTS (MELANGE B4C / TI-6AL-4V)
6 CONCLUSION
CONCLUSION
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