Fabrication de composite à matrice métallique par fusion laser sélective

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1 Assises Européennes de la Fabrication Additive, les 24, 25, 26 et 27 Juin 2013 à l'ecole Centrale Paris Fabrication de composite à matrice métallique par fusion laser sélective Rapporteur: Bo SONG Directeur de thèse : Christian CODDET Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Site de Sévenans Belfort cedex France - lermps.utbm.fr 1

2 Sommaire Contexte de l étude Fabrication de pièces métalliques à partir de poudres Fer Fabrication de composites à matrice métallique à partir d un mélange de poudres Fer et SiC Conclusions 2

3 Fusion Sélective par Laser SLM Fusion sélective par laser est une technologie de fabrication additive (AM). Elle permet la production rapide de pièces en trois dimensions (3D) de formes complexes directement à partir de poudre. Type de machine au laboratoire MCP Realizer 1. Puissance max. : 100 W 2. Longueur d onde : 1064 nm 3. Diamètre de spot entre 34 et 250 µm 4. Atmosphère : argon 3

4 Choix des matériaux Une poudre Fer est choisie comme matrice de composite Deux poudres SiC sont choisies pour étudier l influence de la taille de la poudre sur la microstructure et les propriétés SiC de taille micro SiC de taille micro et nano --Particules SiC micro pour améliorer la résistance --Particules SiC nano après décomposition pour le renforcement par solution solide, nano SiC conservé pour la nucléation hétérogène et le renforcement par dispersion Le rapport en volume de SiC est de 5%. Les poudres Fe/SiC sont mélangées pendant 2 heurs. 4

5 Caractéristiques des poudres Fe/SiC Poudre Fer Poudre SiC micro Poudre SiC micro et nano 5

6 Caractéristiques des poudres Fe/SiC 6

7 Paramètres expérimentaux diamètre du faisceau laser: 34 mm puissance laser: 100 W espacement des lignes de balayage: 40 mm épaisseur de chaque couche de poudre: 50 mm vitesse de balayage: 0,33 m/s motif en zigzag avec une rotation de 90 o entre les couches adjacentes 7

8 Préparation des éprouvettes à partir de poudre Fer 8

9 Vue en dessus Microstructure Vue en coupe Vue de face Direction de construction Laser 9

10 Observation MET One grain A Balls B Dislocation loops (d) A B 10

11 Propriétés mécaniques SLM avec la vitesse de refroidissement élevée (environ 5x10 6 K/s) Affinement des grains Forte densité de dislocations Mécanismes d'auto-renforcement E (GPa) σ 0,2 (MPa) UTS (MPa) Fer 208±16 256±17 357±22 Après recuit 188±15 352±22 401±25 Reference [1] [1] D. William, Jr. Callister, Materials Science and Engineering: An Introduction, fifth ed., Wiley, New York,

12 Préparation des éprouvettes à partir d un mélange de poudre Fer et SiC 12

13 Morphologie de surface et métallographique Trashs Trace de fusion Laser Direction de la construction Grains allongés Fe Fe/SiC micro Fe/SiC micro-nano 13

14 Microstructure Fe Fe/SiC micro Fe/SiC micro-nano 14

15 Analyse des éléments SiC 15

16 Distributions des particules SiC Fe/SiC micro Fe/SiC micro et nano 16

17 Analyse des phases (110) 17

18 Observation MET de Fe/SiC micro et nano SAD-1 SAD-1 SAD-2 SAD-2 18

19 Propriétés mécaniques E (GPa) σ 0,2 (MPa) UTS (MPa) Fe 208±16 256±17 357±22 Fe/SiC micro 202±10 140±35 704±20 Fe/SiC micro et nano 210±11 302±12 764±15 Fe/SiC micro et nano après recuit 212±12 310±12 739±14 19

20 Surfaces de rupture en traction Fe Fe/SiC micro Fe/SiC micro et nano A Grandes fossettes Petites fossettes 20

21 Conclusions Pour Fe La pièce fer fabriquée par SLM est beaucoup plus forte que le standard avec un module d'élasticité de 208,7 GPa, une résistance à la traction de 356 MPa et une limite élastique de 292 MPa. Après recuit, le module élastique diminue à 188 GPa, la résistance à la rupture est améliorée à 401 MPa et la limite d'élasticité augmente à 352 MPa. L'affinement des grains apparaît comme un mécanisme de renforcement le plus important, suivi par le travail du durcissement, découlant des vitesses de refroidissement élevées. Pour Fe/SiC Avec les particules de SiC, la modification structurelle est observée avec la formation des produits de transformation perlitique et martensite. Par ailleurs, la présence de grains nanométriques de fer et d amorphe fer est observée, en plus des conservations des particules de SiC micro et nano. Par rapport avec la pièce fer pur, les pieces Fe/SiC présentent des forces bien plus élevées, avec une résistance ultime à la traction jusqu'à 764±15 MPa en raison de transfert de charge et des changements de microstructure de la matrice. 21

22 Merci de votre attention! 22

23 Assises Européennes de la Fabrication Additive, les 24, 25, 26 et 27 Juin 2013 à l'ecole Centrale Paris Fabrication de composite à matrice métallique par fusion laser sélective Rapporteur: Bo SONG Directeur de thèse : Christian CODDET Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Site de Sévenans Belfort cedex France - lermps.utbm.fr 23