L’aptitude des alliages d’aluminium à la fusion laser sur lit de poudre

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Le traitement thermique T6 inadapté à la fusion laser ?

Le congrès 3D Print & Exhibition vient de fermer ses portes à Lyon, à cette occasion les visiteurs ont pu déambuler dans les allées du plus gros congrès français dédié à la fabrication additive. L’occasion idéale de rappeler les spécificités du procédé avant que ces professionnels de l’Industrie ne succombent les yeux fermés aux sirènes de la fabrication additive. Parmi les particularités de ces procédés qui représentent à coup sûr le futur de notre industrie on retrouve la nécessité d’adapter des traitements thermiques aux pièces issues de ces nouvelles méthodes de fabrication.

Aujourd’hui, il est en effet largement admis que la majorité des procédés de mise en forme de matériaux métalliques implique l’utilisation de traitements thermiques pour répondre à la multitude de problématiques qu’ils génèrent. En effet il est parfois nécessaire de réaliser une relaxation des contraintes résiduelles après la mise en forme (détensionnement), de réduire (voir d’éliminer) l’anisotropie de la structure des grains ainsi que celle des caractéristiques mécaniques ou encore de durcir la matière par précipitation structurale. Sans parler du compromis à faire entre les valeurs de résistance mécanique (Rm), de limite élastique (Rp0.2) et d’allongement à la rupture (A%).

On retrouve ces mêmes problématiques dans le cadre de la fusion laser sur lit de poudre. De manière générale, tous les procédés de fabrication additive métallique sont concernés. Cependant ces derniers donnent naissance à des structures métallurgiques différentes de celles des procédés de mise en forme « classiques » comme l’usinage et la fonderie. Cet élément est à prendre en compte puisqu’il implique une adaptation des traitements thermiques.

Des structures métallurgiques différentes qui impliquent une adaptation des traitements thermiques

Détentionnement éprouvettes dans un four pour traitement thermique

Un sujet d’étude du programme SUPCHAD

 

L’adaptation des traitements thermiques aux spécificités de la fusion laser est l’un des sujets d’études du programme SUPCHAD.

Ce programme de R&D collaborative nous permet désormais de vous conseiller sur le traitement thermique le plus adapté à vos applications.

 

 En savoir plus

 

Les alliages d’aluminium les plus utilisés en fusion laser sur lit de poudre proviennent de la famille 40000. Cette famille contient des alliages tels que l’AlSi12, l’AlSi10Mg, l’AlSi7Mg0.6 ou encore l’Alsi9Cu3. Ceux-ci contiennent une faible quantité de magnésium qui, couplé avec le silicium en excès, permettent un durcissement structural grâce à un traitement thermique adapté. Or c’est là que réside le cœur de la problématique, l’adaptation des traitements thermiques aux spécificités de la fusion laser.

Les pièces obtenues par fusion laser présentent en effet des structures métallurgiques particulières qui leur offrent des caractéristiques mécaniques généralement plus élevées que celles des produits issus de coulée. Cela s’explique par des tailles de grains et de dendrites qui sont plus fines, par un niveau de précipitation structurale différent et par un refroidissement très rapide qui donne naissance à une solution solide d’aluminium sursaturée. De plus, la température du plateau de fabrication et la stratégie de fabrication employée ont également des effets non négligeables sur la structure métallurgique, sur les contraintes résiduelles et sur les caractéristiques mécaniques des pièces brutes de fusion.

La connaissance et la compréhension de toutes ces spécificités apportent de nouvelles données qui permettent la mise au point de gammes de traitements thermiques efficientes comme c’est d’ores et déjà le cas pour les pièces issues de coulée. En effet, tous les alliages de la famille 40000 sont mis en œuvre par coulée grâce à des procédés de fabrication qui sont largement utilisés et maîtrisés. Si bien qu’il existe plusieurs gammes de traitements thermiques qui permettent de choisir différents compromis de caractéristiques mécaniques en vue d’une utilisation particulière. Or dans le cadre des procédés de fabrication novateurs comme le sont ceux de la fabrication additive métallique, le niveau de connaissance n’avait jusqu’alors pas permis d’élaborer de telles gammes de traitements thermiques. Les choses changent et petit à petit les traitements thermiques sont adaptés aux spécificités métallurgiques des pièces obtenues par fusion laser sur lit de poudre, avec en ligne de mire l’application visée.

Les traitements thermiques ou l’art du compromis

Dans l’état brut de fusion, les caractéristiques mécaniques élevées sont dues en partie à la finesse de la structure, or le recours à un traitement thermique génère un grossissement de celle-ci, ce qui occasionne donc une baisse des caractéristiques mécaniques. De plus l’utilisation d’un traitement thermique peut avoir pour effet de durcir le matériau par précipitation structurale. L’intérêt est donc de trouver un compromis entre la finesse de la microstructure et la taille/le nombre de précipités au sein du matériau pour obtenir des propriétés mécaniques optimales.

De manière générale et comme pour les autres procédés de fabrication de pièces métalliques, il est possible d’effectuer une étude qui déterminera quel est le traitement qui offre le compromis adéquat pour l’application visée en jouant sur les valeurs de Rm, de Rp0,2, d’A%, sur l’anisotropie des caractéristiques mécaniques et sur la détente des contraintes résiduelles.

L’exemple du traitement T6

Le traitement T6 (mise en solution, trempe et revenu) est généralement pratiqué sur les alliages de la famille 40 000. L’étape de mise en solution permet, comme son nom l’indique, de mettre en solution les éléments d’alliages. Le refroidissement rapide lors de la trempe maintient la solution solide en sursaturation tandis que le revenu occasionne un durcissement structural homogène par précipitation des éléments d’alliages en sursaturation.

Ce traitement doit être utilisé avec précaution sur des pièces issues de fusion laser sur lit de poudre puisqu’il ne produit pas systématiquement une amélioration des caractéristiques mécaniques. En effet pour l’AlSi10Mg, la dureté du matériau est plus faible suite à un T6 en comparaison avec l’état brut de fusion. On constate également la présence de polyèdres de silicium suite à la mise en solution. Ces polyèdres ont une influence sur les caractéristiques mécanique de l’alliage. Chose impossible lorsque la pièce est obtenue avec les procédés de fabrication traditionnels puisque l’on ne constate pas la présence de ces polyèdres de silicium à la suite à la mise en solution.

Le cas du traitement T6 n’est pas unique et il démontre l’importance de ne pas appliquer machinalement les traitements thermiques « standards » sans compréhension de leurs influences sur la métallurgie et sans étude préalable. Par « standards » on fait référence aux traitements thermiques utilisés sur les matériaux mis en œuvre avec les procédés de fabrication traditionnels.

observation polyèdre silicium suite à un traitement thermique

Observation au microscope électronique à balayage de polyèdres de silicium

Les traitements thermiques des fabricants de machines

Les traitements thermiques proposés par les fabricants de machine concernent le détensionnement (300°C – 2H chez SLM, EOS, Renishaw, 240°C – 6H chez Concept Laser) de la matière. L’objectif est bien entendu de limiter les déformations résiduelles des pièces suite à leur découpe du plateau de fabrication. Toutefois, pour les alliages d’aluminium en plus de la réduction des contraintes résiduelles, les détensionnements proposés réduisent l’anisotropie des caractéristiques mécaniques, diminuent les valeurs de Rm, de Rp0,2 et augmentent la valeur d’A%. Cela ne fait que confirmer l’importance d’étudier au cas par cas les traitements thermiques afin de soumettre les pièces obtenues par fabrication additive à des traitements adaptés.

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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.

– OU –

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.
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La stratégie de MECABESS pour l’Industrie du futur

Jean-Michel Sanchez, le dirigeant de la société MECABESS, témoigne dans une vidéo réalisée à l’occasion de la journée Industrie du futur de l’importance de la fabrication additive métallique pour l’avenir de son entreprise.

Actuellement, MECABESS se sert de la fusion laser sur lit de poudre -le procédé de fabrication additive utilisé dans le programme SUPCHAD- pour tester le texturing, la conception de pièces creuses et celle de canalisations coudées. L’entreprise compte ainsi étendre son champs d’action après s’être fait connaître comme spécialiste de l’usinage, du tournage et du fraisage. À terme, J-M Sanchez espère pouvoir proposer à ses clients des produits que ces derniers ne pouvaient pas sous-traiter ni produire eux-même avant. Cet objectif est important pour le dirigeant puisque lors de l’inauguration du programme SUPCHAD, il avait déjà déclaré vouloir « aller beaucoup plus en amont » avec ses clients.

Dans cette interview, Jean-Michel Sanchez témoigne de la capacité de la fabrication additive à libérer la créativité des designers. Il évoque également la complexité des pièces, leurs coûts de revient et comment grâce à tout cela il espère guider son entreprise vers l’industrie du futur.

SUPCHAD

SUPCHAD est un programme de R&D, de montée en compétence et de mise à disposition de moyens technologiques qui regroupe 10 entreprises.

Parmi elles, MECABESS explore les possibilités offertes par la fabrication additive métallique.

 

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