Conception d’alliages pour la fabrication additive
Alors que les alliages classiques sont souvent associés à certains procédés (moulage, forgeage, métallurgie des poudres…), les débuts de la fabrication additive ont surtout vu son application à des nuances existantes, mal adaptées à ces nouveaux procédés. Nos travaux portent sur la conception d’alliages (aciers inoxydables, alliages de nickel ou de titane, alliages à forte entropie…) spécifiquement adaptées à la fabrication additive, que ce soit pour réduire les défauts et améliorer la qualité (fissuration, porosité, état de surface…), pour optimiser les propriétés mécaniques, ou pour déposer des multi-matériaux en couches aux caractéristiques originales (résistance à la propagation de fissures notamment).
Mots-clés : SLM, DMD, FabAdd, matériaux multicouches
Le premier exemple concerne la thèse de Mariam Assi (2018-2021), en codirection avec le LGF aux Mines Saint-Étienne, sur la conception d’aciers inoxydables austénitiques pour la fabrication additive. On cherche à :
- Améliorer les propriétés mécaniques.
- Éviter la fissuration à chaud lors, via une maîtrise du chemin de solidification.
- Réduire la formation de porosité par effet « keyhole », en limitant la vaporisation sous le faisceau laser.
- Assurer la qualité géométrique des cordons et un bon état de surface, en évitant les projections (« spatter ») et le phénomène de « balling », ainsi qu’en réduisant la rugosité.
- Contrôler la stabilité de la composition du métal déposé en limitant l’évaporation différentielle des éléments d’alliage.
Ceci passe par le développement et/ou l’utilisation d’un ensemble de modèles décrivant les caractéristiques du matériau en fonction de la composition : tension de surface et viscosité du liquide, flux de vaporisation des éléments, formation des phases, durcissement par effet de solution solide…
Le second exemple, abordé dans la thèse de Madeleine Bignon (2020) en codirection avec l’Université de Lancaster, concerne la conception simultanée de deux alliages qui seront déposés en couches alternées par un procédé de fabrication additive de type « fil » ou DMD (direct metal deposition). Par exemple, le dépôt alterné de couches dures et de couches plus ductiles vise l’obtention de matériaux présentant à la fois une résistance en traction élevée (grâce aux couches dures) et une bonne ténacité via l’écrantage plastique des fissures (par les couches ductiles) et leur déviation (aux interfaces). Nos méthodes de conception auraient permis de cibler séparément les propriétés des deux alliages, mais le procédé additif conduit à une dilution des couches successives entre elles, donc à une modification de leur composition et par conséquent à des propriétés différentes. Notre approche consiste ainsi à prendre en compte la dilution séquentielle entre couches, de manière à concevoir simultanément les compositions des deux métaux d’apport de telle sorte que les compositions déposées (après dilution) conduisent aux propriétés escomptées. L’exemple ci-dessous montre la conception simultanée de paires d’alliages de titane, l’un possédant une structure β stable la plus dure possible, l’autre présentant une faible limite d’élasticité et un effet TRIP pour lui conférer ductilité et écrouissabilité.
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L’optimisation multi-objectifs permet de proposer plusieurs paires d’alliages ainsi conçues, qui maximisent la différence de renforcement par solution solide entre les deux types de couches.
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Collaborations :
. Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes (LS2N) – Université de Nantes
. Laboratoire Georges Friedel (LGF) – Mines Saint-Étienne
. Lancaster University