La micro-fusion laser sur lit de poudre, influence du sens de construction : Application à la l'alliage Inconel 718

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1 AEPR Chatenay Malabry juin 2012 La micro-fusion laser sur lit de poudre, influence du sens de construction : Application à la l'alliage Inconel 718 Lucas DEMBINSKI, Christian CODDET, Ghislain MONTAVON Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Site de Sevenans Belfort cedex - France - lermps.utbm.fr 1

2 Sommaire La structure d acceuil Résultats précédents : rappel AEPR Chatenay Malabry, juin 2012 Influence du sens de fabrication : application à l inconel 718 Poudre Paramètres Positionnement Microstructure Propriétés mécaniques Conclusions et perspectives 2

3 Introduction : IRTES - LERMPS Laboratoire d Etudes et de Recherche sur les Matériaux, les Procédés et les Surfaces Materials Science and Surface Engineering Processes EA 7274 Institut de Recherche sur les Transports, les Energies et la Société (IRTES), UPR de l UTBM, EA

4 notre ADN et nos objectifs scientifiques RECHERCHE DISCIPLINAIRE GENIE DES PROCEDES développement de matériaux en couches (minces ou épaisses) par procédés par voie sèche SCIENCE DES MATERIAUX Λ = 120 nm PROCEDES PROJECTION THERMIQUE DEPÔT PHYSIQUE EN PHASE VAPEUR FABRICATION ADDITIVE ELABORATION DE POUDRES 20 µm 2 µm 20 µm 20 mm PRINCIPAUX CHAMPS D'APPLICATION ENERGIE TRANSPORT SANTE 4

5 notre démarche scientifique 3 familles de procédés complémentaires développement de couches par des procédés de projection thermique APS, LPPS, VLPPS, TWEA, C 2 H 2, HVOF, CGS développement de couches par des procédés de dépôt physique en phase vapeur magnétron, magnétron réactif, HiPIMS développement de structures par fabrication additive plasmaformage, fusion sélective sur lit de poudre modélisations / simulations diagnostics des procédés procédés matériaux précurseurs contrôle des procédés caractéristiques structurales propriétés d'usage fonctions d'usage transferts préindustriels la stratégie globale mise en œuvre est pluridisciplinaire et intégrée élaboration de couches / traitement de matériaux 5

6 nos moyens matériels principaux moyens à l'échelle du pilote industriel car les procédés étudiés / développés sont sensibles à l'effet d'échelle transferts de masse ET de chaleur pour permettre un continuum recherche développement valorisation "de l'échantillon à la pièce échelle 1" répartis sur 2 plateformes MONTBELIARD (25) SEVENANS (90) plateforme expérimentale "couches minces" et moyens mi-lourds de caractérisation (1219 m 2 ) plateforme expérimentale "couches épaisses" et "fabrication additive" (2158 m 2 ) 6

7 nos moyens matériels en fab additive Un atomiseur de poudres métalliques Deux machines de micro-fusion laser SLM250 Laser de 100 W, procédé mis sous vide Laser de 400 W : alliages d aluminium 7

8 Normalisation Laboratoire de Recherche Correspondant du CEA en ingénierie des surfaces à hautes performances mai 2009 juin 2010 Nov

9 Prestations de service Etude Analyse et caractérisation Formation Transfert industriel Industrialisation, transfert... pour permettre un continuum recherche développement valorisation Association de loi 1901 à but non lucratif Développement Nvx dépôts Nvx alliages N elles poudres (Semi) production Revêtements Poudres métalliques Inox 316L CoCrMo Verres métalliques Fabrication additive 9

10 AEPR Chatenay Malabry, juin 2012 Elaboration de poudres métalliques 10

11 Elaboration de poudres métalliques Fusion par induction de(s) matière(s) première(s) dans un réceptacle Buse d atomisation Gouttelettes de métal liquide Buse de coulée gaz atomiseur filament de métal en fusion Atomisation au moyen d une buse sphérique Débit régulé avec une forte pression de gaz 11

12 Elaboration de poudres métalliques Détente : Onde de choc (λ), instabilité du jet Désintégration Formation de goutelettes Solidification convective Poudre 12

13 AEPR Chatenay Malabry, juin 2012 Elaboration de poudres métalliques atomisation au gaz Particules de forme sphérique, 13

14 Elément en % massique Respect de la composition : traçabilité Analyse de composition par ICP-AES CoCrMo matière première coulée N 13277, lot G623/45 Poudre lot N PCoCr Poudre lot N PCoCr Composition requise Al 0,010 ± 0,001 <0,010± 0,001 <0,010 ± 0,003 - Co Solde Solde Solde Cr 29,1 ± 0,9 29,5 ± 0,9 29,3 ± 0, Fe 0,170 ± 0,003 0,110 ± 0,002 <0,100 ± 0,003 <0,5 La <0,010 ± 0,001 <0,010 ± 0,001 - Mn 0,50 ± 0,02 0,51 ± 0,02 0,50 ±0 02 <1 Mo 5,27 ± 0,16 5,10 ± 0,15 5,47 ± 0, Nb <0,010 ± 0,001 - <0,010 ± 0,001 P <0,010 ± 0,001 <0,1 Ni 0,010 ± 0,006 0,010 ± 0,007 <0,050 ± 0,006 <0,1 Si 0,76 ± 0,02 0,79 ± 0,02 0,68 ± 0,02 <1 Ti <0,010 ± 0,001 <0,010 ± 0,001 - V 0,030 ± 0,003 0,010 ± 0,001 <0,010 ± 0,001 - W 0,050 ± 0,004 0,020 ± 0,002 <0,010 ± 0,001 - C 0,019 ± 0,002 0,019 ± 0,002 0,009 ± 0,001 <0,02 S <0,005 ± 0,001 0,003 ± 0,001 <0,1 14

15 Résultats précédents : rappel CoCrMo N 1 CoCrMo N 2 C (% massique) 0,008 0,65 Module d'young (GPa) 221 ± ± 3 Résistance maximale (Rm) (MPa) 1151 ± ± 35 Résistance à la rupture (Rr) (MPa) 1137 ± ± 56 Allongement total à la rupture (mm) 4,26 ± 0,32 1,90 ± 0,20 Allongement total à la rupture (%) 17,0 ± 1,3 7,70 ± 0,70 Différence notable de ductilité Matériaux bruts sans TTh Le taux résiduel de carbone dans les alliages de type Co-28-30%Cr-5-6%Mo influe directement les propriétés mécaniques des pièces. La ductilité varie de manière sensible Contrainte (MPa) Existence d un composé responsable du durcissement de l alliage 0 CoCrMo N 1 (0,008% C) CoCrMo N 2 (0,65% C) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 ε (-) 15

16 Contexte : Alliage inconel 718 Catégorie des super alliages : fort taux de Ni et Cr Très bonne ductilité Résistant à la corrosion Bonne résistance thermique Utilisation de pièces dans différents domaines : Aéronautique Nucléaire Compétition

17 Poudre d inconel 718 Influence du sens de fabrication : poudre (Ni+Co) 17-21%Cr 4,75-5,5%Nb 2,8-3,3%Mo 0,65-1,15%Ti 0,2-0,8%Al 0,08%max C 0,35%Mn 0,35%max Si 0,015%max P 0,015% max S 0,006% max B 0,3% max Cu 17

18 La Fabrication additive : Procédé SLM Métal : La micro-fusion laser sur lit de poudre Génération d un fichier CAO d'une pièce "virtuelle" Génération des supports de fabrication 18

19 La Fabrication additive : Procédé SLM Métal : La micro-fusion laser sur lit de poudre Découpage (slicing) en tranche (layer) avec une épaisseur définie ( µm) Couches Contour de la pièce 19

20 Plateau de la machine sur lequel se fixe le plateau de fabrication Lit de poudre La Fabrication additive : Procédé SLM Bac mobile contenant la réserve de poudre Racleur Plateau de fabrication métallique Lentille de compensation Entrée du Faisceau laser 20

21 La Fabrication additive : Procédé SLM Fabrication Passage du laser sur le lit de poudre = fusion+solidification Matière solide re-créée 21

22 Pièces brutes d'élaboration La Fabrication additive : Procédé SLM Finition : enlèvement des support de fabrication, microbillage, polissage, revêtement, 22

23 0 Influence du sens de fabrication : positionnement Trois angles de construction 0, 45 et 90 Paramètres opératoires identiques d après ISO

24 Influence du sens de fabrication : paramètres. Paramètres opératoires atmosphère environnante argon à la pression atmosphérique épaisseur de couche de poudre(µm) 50 ± 2 longueur d'onde du laser (nm) puissance laser affichée (W) 110 fluence (J.mm -2 ) 1,144x10 5 Vitesse de balayage (m.s -1 ) 0,23 Machine utilisée : SLM250 Vol de fabrication 25x25x25 cm 24

25 AEPR Chatenay Malabry, juin 2012 Influence du sens de fabrication : microstructure Sens de découpe Sens d'observation Pas de changement de microstructure en fonction de l angle de construction Taux de porosité faible : 0,40% 25

26 Influence du sens de fabrication : propriétés mécaniques Angle de construction n affecte pas la Rm Evolution linéaire de la limite conventionnelle d élasticité 26

27 Influence du sens de fabrication : propriétés mécaniques Différence de ductilité en fonction de l angle 27

28 Influence du sens de fabrication : propriétés mécaniques : rupture fragile 45 & 90 : formation de cupules, rupture ductile résultant d'une charge de cisaillement Histoire thermique de la pièce 28

29 Influence du sens de fabrication : Conclusions et perspectives CONCLUSION 1. Les propriétés mécaniques du matériau sont fonction de l orientation de la construction 2. L angle de construction d une pièce modifie 1. la ductilité de l alliage 2. sa limite conventionnelle d élasticité 3. La perte de ductilité pour une éprouvette construite avec un angle de 0 est associée à un changement de type de rupture avec une rupture ductile résultant d'une charge de cisaillement. PERSPECTIVES 1. Etude fine de la microstructure : texturation, orientation 2. Historique fabrication : optique, température 3. Construction d autres éprouvettes à 22,5 et à 67,5 1. Evolution de la ductilité 2. Faciès de rupture. 4. Application à d autres matériaux 29

30 Quelques dates LASERap7 séminaire européen recherche / industrie Ile d Oléron : 1-5 Octobre 2012 Journée Nationale des Procédés Laser pour l Industrie Mulhouse : Novembre

31 Merci pour votre ATTENTION! Pour tout renseignement : Lucas DEMBINSKI Tél : Fax : lucas.dembinski@utbm.fr 31