La fissuration à chaud en fusion laser

La fissuration à chaud est l’un des problèmes majeurs lorsque l’on utilise un procédé de fabrication qui induit une solidification du matériau, c’est-à-dire un passage de l’état liquide à l’état solide. Le soudage, la fonderie ou la fabrication additive sont donc des procédés qui donnent naissance à des pièces qui peuvent présentées des fissures. Des pièces qui se retrouveraient fragilisées par des fissures plus ou moins longues qui courent au travers de la matière. Si bien que mettre la pièce en fonction pourrait s’avérer dangereux si la pièce est soumise à des contraintes thermiques et/ou mécaniques. Les causes du phénomènes de fissuration à chaud sont multiples et elles peuvent être amplifiées par les spécificités du procédé utilisé.

La fissuration à chaud en fabrication additive métallique

une fissure intergranulaire dans un alliage aluminium

fissuration à chaud fusion laser SLM

D’une manière générale, la fissuration à chaud se produit lorsque le matériau est en cours de solidification (à la fin de celle-ci pour être précis). Elle correspond en fait à l’ouverture irréversible d’espaces inter-dendritiques. En effet lorsque la solidification s’amorce, la matière se solidifie sous forme de dendrites. Entre ces dernières, la matière est encore à l’état liquide. Du fait des contraintes thermiques et des retraits causés par le passage à l’état solide, ces espaces s’ouvrent et ne sont pas comblés.

Les fissures présentes dans les pièces obtenues par fabrication additive métallique -ici par fusion laser sur lit de poudre– sont semblables à celles des autres procédés (soudage, fonderie, etc) mais le phénomène est amplifié par les spécificités du procédé. En effet si fissures il y’a (le but étant bien entendu de les éviter), elles apparaissent comme attendu dans les espaces inter-dendritiques et inter-granulaires. Là où elles sont les plus néfastes. Le tout à la fin de la solidification du cordon, quelques instants après le passage du faisceau laser lorsque les cristaux en pleine croissance sont encore séparés par le liquide inter-granulaire. À ce moment, la solidification n’est en effet pas complète et les grains sont entourés d’une fine pellicule liquide. Ces pellicules liquides n’offrent aucune résistance mécanique si bien que si elles sont trop étendues, elles subissent les contraintes de retraits de la matière et finissent par se déchirer en formant des fissures. Lesquelles se retrouvent aux joints de grain et affaiblissent la pièce produite.

Le procédé de fusion laser peut favoriser l’apparition du phénomène de fissuration à chaud dans le sens où ses spécificités sont telles qu’elles sollicitent fortement le matière. Tout d’abord le procédé impose des variations de température importantes avec une vitesse de solidification rapide de la matière de l’ordre de 105°C/s, une forte ségrégation des éléments chimiques jusqu’à permettre la formation d’eutectiques hors-équilibres ainsi que des retraits significatifs. Le procédé de fusion laser peut également modifier la composition chimique du matériau ce qui peut encore accroître la sensibilité d’un alliage à la fissuration à chaud. En effet les températures atteintes lors de la fabrication sont telles que les points d’évaporation de certains éléments chimiques sont largement dépassés. C’est le cas par exemple des taux de magnésium (Mg) et de zinc (Zn) qui -comme le montrait l’article sur l’évaporation des éléments chimiques lors de la fusion laser– sont les éléments qui s’évaporent le plus. Pour un alliage AlMg14 le taux de magnésium passait par exemple de 13.3% avant fusion à 8.7% après. Tous ces facteurs combinés peuvent donner naissance au phénomène de fissuration à chaud.

Un phénomène prévisible grâce aux courbes de sensibilité

Les courbes de sensibilité permettent de déterminer la sensibilité d’un alliage à la fissuration à chaud et ce grâce à sa composition chimique. Cependant celles-ci ont été créé pour le soudage, procédé pour lequel la vitesse de refroidissement est beaucoup moins élevée que pour la fusion laser sur lit de poudre. Néanmoins elles aident à déterminer une tendance à la fissuration.

fissuration a chaud courbes de sensibilité aluminium

courbe de sensibilité fissuration à chaud SLM

Leur utilisation avec l’exemple de l’alliage 5083 révèle qu’avant la fusion laser, l’alliage ne se trouve a priori pas dans une zone où les risques de fissures sont élevés. Cependant la température maximale atteinte lors de la fusion est de 1249°C, ce qui a pour effet de provoquer l’évaporation du magnésium présent dans le matériau. D’après les analyses, le taux de magnésium passe de 3.8% (avant fusion) à 2.7%(après fusion). Cette baisse du taux de magnésium rapproche l’alliage de la zone où les risques de fissuration sont élevés.

À contrario, des alliages comme l’AlMg14 ou l’AlSi10Mg ne souffrent pas du procédé de fusion laser au point de présenter des fissures. Les courbes de sensibilité montrent que ces deux alliages sont éloignés des zones critiques de part leur composition chimique.

Dans le cas de l’AlMg14, les courbes de sensibilité à la fissuration à chaud démontrent que le taux élevé de magnésium préserve l’alliage de la fissure. Et ce même si la fusion provoque une évaporation de 4.6% de celui ci.

En revanche l’AlSi10Mg échappe à la fissuration grâce à un taux de silicium proche des 10%. Lequel ne diminue pas pendant la fabrication puisque les températures atteintes ne sont pas supérieures au point d’évaporation de cet élément chimique.