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L’évaporation des éléments chimiques des alliages d’aluminium


L’évaporation des éléments chimiques lors de la fusion laser sur lit de poudre est un phénomène logique qui influence l’aptitude d’un alliage d’aluminium à être utilisé en fusion laser. Plus précisément, l’explication de ce phénomène aide à déterminer si une pièce fabriquée dans tel ou tel alliage d’aluminium présentera des fissurations à chaud. Et donc, si la pièce pourra assurer sa fonction ou pas. Il est important pour les industriels de comprendre et de maîtriser ce phénomène d’évaporation des éléments chimiques, surtout lorsqu’ils souhaitent se lancer dans la fabrication de pièce via ce procédé phare de l’Industrie du futur.

Des données de fabrication qui expliquent le phénomène d’évaporation

Grâce à la conduction, la trajectoire du faisceau laser sur le lit poudre forme un cordon de soudure qui peut être modélisé par un bain de fusion de forme hémisphérique. En accord avec les lois qui régissent ce mode opératoire -la conduction-, il est possible de déterminer bon nombre de facteurs qui influeront sur la fabrication (température du bain de fusion, température de l’enveloppe,etc) et d’en extraire des données de fabrication cruciales pour chaque alliage d’aluminium. Des données qui peuvent être utiles à tout professionnel de l’Industrie qui s’intéresse de près ou de loin à la fabrication additive.

tableau alliage aluminium fusion laser

Vos matériaux
sont-ils aptes ?

 

Nos experts vérifient l’aptitude de tous vos matériaux métalliques y compris celle de vos alliages d’aluminium pour une utilisation en fusion laser sur lit de poudre.

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Si besoin, nous cherchons pour vous un équivalent qui disposera des mêmes propriétés mécaniques.

 Vérifier l’aptitude du matériau

En fonction de l’alliage d’aluminium, la température maximale atteinte dans le bain de fusion oscille entre 1061°C et 1411°C. À ces températures il est logique que certains éléments chimiques s’évaporent et disparaissent jusqu’à rendre la pièce fabriquée inutilisable car trop assujettie à la défaillance. Les éléments chimiques responsables sont donc ceux qui disposent des points d’évaporation les plus bas.

Des évaporations qui modifient les compositions chimiques des alliages d’aluminium

Avec un point d’évaporation situé à 1090°C pour l’un et à 907°C pour l’autre, le Magnésium (Mg) et le Zinc (Zn) sont les deux éléments chimiques qui possèdent le plus gros taux d’évaporation lors d’une fabrication par fusion laser sur lit de poudre. L’explication se retrouve bien sûr dans le tableau précédent. Les températures qui sont en effet atteintes lors de la fabrication sont bel et bien supérieures aux points d’évaporation du Magnésium et du Zinc.

En revanche, l’évaporation semble épargner les autres éléments chimiques au vu du peu, ou de l’absence totale, de variations dans les taux constatés avant et après la fusion laser sur lit de poudre. Le taux de Manganèse (Mn) par exemple n’évolue jamais à la baisse car son point d’évaporation est situé à 2061°C. Soit une température jamais atteinte lors de la fabrication.

En savoir plus

L’évaporation des éléments chimiques est l’un des sujets que nous avons étudié dans une publication dédiée à l’aptitude à la fabrication additive des alliages d’aluminium, consultez  et téléchargez la publication.



les taux des éléments chimiques varient à cause de l'évaporation

Privilégier les alliages d’aluminium avec des taux de Mg et Zn élevés

L’évaporation des éléments chimiques lors de la fusion laser sur lit de poudre provoque des modifications de compositions chimiques. Or, il s’agit là d’un des principaux facteurs responsables du phénomène de fissuration à chaud. L’un des principaux donc, mais pas le seul. La comparaison de sections métallographiques réalisées sur différents alliages d’aluminium démontre que malgré l’évaporation, certains alliages présentent des fissurations et d’autres non. L’explication réside dans le fait que l’influence du procédé sur la matière est telle que réduire la question de l’aptitude d’un alliage à sa simple propension à l’évaporation serait en réalité une négligence. Une négligence qui risque de s’avérer préjudiciable une fois passé à la phase d’industrialisation du procédé de fusion laser sur lit de poudre. Une chose est sûre. Il est important de prévoir les conséquences du phénomène d’évaporation des éléments chimiques lors de la fabrication pour s’en prémunir. Les alliages d’aluminium qui présentent des taux de Magnésium (Mg) et de Zinc (Zn) élevés doivent être privilégiés.

Pour se protéger de tous ces risques, les alliages d’aluminium doivent être étudiés au cas par cas. Tous ne sont pas aptes à être utilisés en fusion laser sur lit de poudre, c’est le cas par exemple de l’alliage 7020. Les sections métallographiques réalisées sur le matériau viennent le prouver puisque l’on y constate un nombre important de fissures. La combinaison entre le procédé de fusion laser et cet alliage a donc de grandes chances de donner naissance à des pièces qui défailliront une fois mises en fonction. En revanche, les résultats de l’alliage AlSi10Mg sont tout autres. Certes l’évaporation des éléments chimiques a bien lieu (on constate un taux de Mg qui passe de 0.75 avant fusion à 0.32 après fusion) mais aucune fissure n’est visible sur les sections métallographiques.

évaporation alliage 7020 fusion laser

évaporation éléments chimiques Alsi10Mg

fissuration à chaud alliage aluminium 7020

AlSi10Mg fissuration à chaud

En conclusion, le phénomène d’évaporation des éléments chimiques est un facteur important pour déterminer l’aptitude d’un alliage d’aluminium mais ce n’est pas le seul. Plusieurs autres phénomènes entrent en jeu et tous doivent être connus par les ingénieurs et les techniciens qui souhaitent maîtriser le procédé en vue de l’industrialisation. Tout industriel qui souhaite se lancer dans la production de pièces via la fusion laser sur lit de poudre doit donc s’attendre à voir la composition chimique de sa pièce évoluer au cours de la fabrication. Avant de lancer la fabrication, il est donc important de connaître l’influence de ce procédé novateur sur la matière car tous les alliages d’aluminium ne sont pas aptes à être utilisés en fabrication additive. C’est d’autant plus vrai lorsque la pièce est destinée à des secteurs sensibles comme l’aéronautique, l’aérospatial ou encore la défense.