Caractérisation des matériaux métalliques

visuel test01 E. Bertrand, L. Couturier, P. Paillard

Une très grande part des matériaux métalliques utilisés dans nos sociétés est destinée à des applications structurales. Il est donc important d’être capable d’évaluer les propriétés de ces matériaux de structures (souvent mécaniques) ainsi que de pouvoir les maîtriser suffisamment pour nous permettre de fabriquer des matériaux sur-mesures pour certaines applications (ajustement des propriétés du matériau aux propriétés nécessaires à l’application). Ce contrôle des propriétés est possible en ajustant la microstructure du matériau sur diverses échelles de taille, du millimètre à l’échelle atomique, qu’il convient donc également de pouvoir caractériser. Notre équipe est équipée pour pouvoir fournir ces deux types de caractérisation (microstructurale et mécanique) des matériaux métalliques les plus complètes possibles.

Mots-clés : Caractérisation, Microstructure, Propriétés mécaniques, Alliages métalliques, Transformation de phases

• Microstructure

Microscopie optique

Carac1

Microscopie électronique à balayage (SE, BSE, EBSD, WDS, EDS)

Figure 1 : Etude de la morphologie des grains et de la texture cristallographique obtenue pour deux stratégies différentes d’empilement de cordons lors de la fabrication additive arc-fil (WAAM) de pièces en alliage d’aluminium 6061 : a) stratégie unidirectionnelle (direction de dépôt identique pour toutes les couches) et b) stratégie alternée (direction de dépôt opposée à la précédente pour chaque nouvelle couche)

Figure 2 : Observation en électrons rétrodiffusés (MEB) de l’évolution des phases intermétalliques micrométriques présentes dans le fil utilisé pour le dépôt WAAM (a), dans le matériau brut de dépôt (b) et dans le même matériau après traitement thermique conduisant à l’obtention d’un état durci T6 (c)

Microscopie électronique en transmission (HR, HAADF, ACOM))

Figure 3 : Etude en microscopie électronique en transmission conventionnelle des phases secondaires présentes dans une pièce en alliage d’aluminium à durcissement structural 6061 obtenue par fabrication additive arc-fil (WAAM)

• Propriétés mécaniques

Dureté

Propriétés mécaniques statiques, essais de traction/compression (extensométrie mécanique et optique)
Propriétés mécaniques dynamiques, essais de fatigue
Propriétés de fluage

Essais de flexion par choc Charpy

L’utilisation des différents moyens de microscopie présents au laboratoire a permis de mettre en évidence dans le cadre de la thèse de Gautier DOUMENC (Projet PERFORM de l’IRT Jules Verne, co-tutelle avec le GeM) que les paramètres de soudage et la stratégie de fabrication (séquence d’empilement des cordons) a une influence assez forte sur les tailles et morphologie des grains obtenus ainsi que sur la texture de la pièce obtenue.
Une étude EBSD des dépôts WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing) obtenus, dont un aperçu est présenté en Figure 1, a montré que pour les paramètres de dépôt garantissant une bonne santé matière, les pièces sont constituées de couches alternées de grains colonnaires et de grains équiaxes. De plus, l’utilisation d’une stratégie de dépôt alternant la direction de dépôt entre chaque couche conduit à une texture locale équivalente (dans chaque cordon déposé les grains colonnaires alignés selon le gradient thermique présentent une texture forte) mais l’alternance des alignements entre chaque couche amoindri la texture cristallographie globale de l’ensemble du dépôt.
Une étude en microscopie électronique couplant MEB et MET (Figure 2 et Figure 3) toutes deux associées avec leur spectroscopie EDX a également permis la mise en évidence de la forte influence qu’a le procédé WAAM sur les secondes phases présentes dans l’alliage 6061 et leurs caractéristiques (nature, localisation, taille, fraction volumique,...), ce qui est de prime importance, attendu que dans cet alliage la dispersion de ces secondes phases contrôle ses fortes propriétés de résistance mécanique. On peut notamment observer en Figure 2 que lors du dépôt de l’alliage 6061 par WAAM se forme un réseau de phase riche en Si apparaissant en blanc sur l’image (b) que l’on ne trouve pas dans le fil avant dépôt mais que cette phase présente aux espaces interdendritiques est remise en solution lors du traitement thermique conduisant à l’état durci T6. De plus, à l’issu du dépôt et du traitement thermique, les phases β’’ et β’ ne sont pas les seules présentes à l’échelle nanométrique Figure 3, elles ont accompagnés des phases L et Q’ et de dispersoïdes présentant une dispersion plus fine que celles retrouvée classiquement dans les alliages 6XXX corroyés.

En conclusion, nous pouvons noter que les moyens de microscopies et les caractérisations associées (spectroscopies EDS et WDS ainsi que diffractions électroniques EBSD et ACOM) sont des moyens importants pour guider le développement de la fabrication additive métallique par des procédés de soudage permettant de tendre vers la fabrication de pièces possiblement de moyennes à grandes dimensions faisant intervenir des alliages à très hautes performances. Ceci constitue une étape vers le développement d’une industrie plus respectueuse de l’environnement en permettant la fabrication de pièces aux propriétés spécifiques améliorées allant de paire avec une production réduite de déchets (recours minimal à des procédés soustractifs).