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Plan 1 - Présentation Bodycote 2 - La fabrication additive de pièces métalliques 3 Ex. de post-traitements thermiques 3.1 Détente 3.2 vieillissement remise en solution + vieillissement 3.3 brasage 4 - Le post-traitement thermomécanique: CIC - HIP Conclusion 2
1 Présentation du groupe Une Société Internationale leader sur son marché : Prestations de service en Traitement Thermique et autres procédés associés Cotée à la Bourse de Londres London Stock Exchange (BOY) CA 2014 = 770 millions 5800 collaborateurs Plus de 190 sites dans 24 pays Partenaire de choix pour des marchés à l International Deux grands métiers : 3 - l Aéronautique, Défense & Energie - l Automobile et l Industrie Générale
1 La structure du Groupe ADE (Aéronautique, Défense & Energie) à l échelle mondiale AGI (Automobile & Industrie Générale) par zones géographiques Traitements Thermiques Amérique du Nord & Asie Ingénierie des Surfaces Europe du Nord & de l Est (NEE) Technologies de Spécialités (HIP Service, HIP Product Fab, S3P) Europe de l Ouest & du Sud (WSE) 4
1 Coeur de métier Traitements Thermiques Procédés Thermiques Procédés d Assemblage Compression Isostatique à Chaud Ingénierie des Surfaces 5
2 La fabrication additive de pièces métalliques 6
2 La fabrication additive de pièces métalliques Fabrication Additive (FA) - Additive Manufacturing(AM) 3D Printing Mais, de quoi parle t on?? Les avis divergent Un processde fabrication du début du 21 ème siècle L ouverture à l usine numérique et à la fabrication à partir de processus digitalisé Une révolution industrielle qui permet de réduire le time to market Mais aussi: Un immense challenge à relever car les enjeux sont considérables et quoiqu il en soit le processus est en marche et rien ne l arrêtera Une remise en cause des modes de fabrication basés sur la fabrication soustractive Une nouvelle chaîne de fabrication, de validation et de contrôle à construire Une technologie toutefois plutôt complémentaire aux procédés actuels Une méthode qui intègre plusieurs changements fondamentaux à la fois: la conception numérique, l optimisation des formes 3D et des fonctions (allégement, refroid.), une fabrication proche des cotes finales, un taux optimisé de matière première utilisée, un degré élevé de liberté de forme jusqu au plus complexe, une nouvelle métallurgie à maitriser, une santé métallurgique à optimiser et à contrôler, une multiplicité de stratégies de construction couche par couche correspondant à des métallurgies différentes, 7 des post traitements à tester et valider.
2 La fabrication additive de pièces métalliques Un processus interactif et plus complexe qu il n y paraît Poudres alliages existants ou adaptés propriétés Fusion sous faisceau bain liquide Contrôle du champ thermique Contrôle Paramètres procédé Puissance, vitesse de dépôt Méthode de supportage des pièces Structure métallurgique brute de fabrication Stratégies de stratification ou de balayage laser 8 Création de gradient thermique Solidification rapide et Mode de refroidissement Couches /couches Transformations de phases Création de contraintes
2 La fabrication additive de pièces métalliques Un processus interactif Pièces fabriquées additive par empilements de couches de poudre fondue l une après l autre Propriétés mécaniques Paramètres Machine Fusion laser, puissance, stratégie, vitesse Structure Santé Métallurgique Poudre métallique granulométrie, composition, morphologie... 9
Microstructures par Fab. Ad. et Traitements Thermiques Microsoudage laser Faisceau laser Poudre 20 60 µm Couche de poudre fondue Bain de fusion Largeur: 100 µm Épaisseur: 30-100 µm Solidification d une couche Microstructure très fine Mais morphologie hétérogène Composition chimique locale inhomogène Anisotropie importantes des propriétés Faible ténacité Structure sous contrainte Présence éventuelle de microporosités TRAITEMENTS THERMIQUES Minimum : détente (laser) Conseillé: - Remise en solution -Recuit d homogénéisation -Vieillissement(PH) -Mise en solution/trempe /revenu(alu, nickel) -Hypertrempe(inox) -Densification totale: HIP (titane, base nickel) -Assemblage par brasage, soudage FE -Durcissements superficiels (nitruration, cémentation) Réchauffement par les couches voisines en fusion 10 Gradients thermiques hétérogènes Création de contraintes internes
3 - Les post-traitements thermiques 3-1 Les buts recherchés 1) Relaxation des contraintes internes: - Suppression du risque de fissuration prématurée ou différée - Maitrise des déformations de la pièce finale 2) Amélioration de la microstructure des alliages - Limitation de l anisotropie - Homogénéisation de la structure 3) Augmentation des propriétés mécaniques - Atteindre les caractéristiques requises pour l utilisation - Résistance à la traction, allongement à rupture, résilience, tenue en fatigue 4) Faciliter les opérations de finition de surface - par des méthodes mécaniques ou chimiques 11 5) Assurer une densification interne totale - garant d une grande fiabilité à l emploi ou du respect des règles de sécurité (aéronautique, médical)
3 - Les post-traitements thermiques 3-2 Le détensionnement - la relaxation des contraintes Origine des contraintes résiduelles: Elles proviennent d alternance de cycles thermiques et de la création d importants gradients thermiques se produisant au sein de la pièce au cours de sa fabrication. Les gradients de température induisent des déformations plastiques hétérogènes et de ce fait des contraintes résiduelles. Les contraintes thermiques générées par les cycles d expansion et de contraction des couches solidifiées peuvent dépasser la limite élastique du matériau. Les variations de volume issues des transformations de phase, induisent aussi des contraintes résiduelles. D un point de vue thermique, la poudre joue un rôle d isolant thermique alors que le support et les couches sont un conducteur de chaleur et contribue à la création de contraintes thermiques et résiduelles. 12
3 - Les post-traitements thermiques 3-2 Le détensionnement - la relaxation des contraintes L épaisseur du plateau support de pièces n affecterait pas la répartition des contraintes dans les pièces créées. Le préchauffage du plateau support à une température de 800 C réduit les contraintes résiduelles mais poserait d autre problématique d agglomération de la poudre. Les trajectoires laser ont une influence sur la répartition des déformations plastiques cumulées ainsi que la hauteur des couches de poudre. Pourquoi relaxer les contraintes résiduelles? Les contraintes résiduelles de traction favorisent le risque de fissurationdirectement sur le plateau support ou lors de la séparation support / pièces, voir après lors de l utilisation en service des pièces. Le traitement thermique de relaxation n est pas facultatif, il est impératif. L élimination des contraintes permet de remettre les pièces dans un état d équilibre plus stable et de maitriser les déformations finales des pièces. Les phases suivantes de post-usinage ou d amélioration mécanique de l état de surface peuvent réengendrer de nouvelles contraintes résiduelles. 13
3 - Les post-traitements thermiques 3-2 Le détensionnement - la relaxation des contraintes Exemple de détensionnement réalisé sur pièce en TA6V: On peut se référer aux normes suivantes: -ASTM F 3001: qui concerne les pièces en alliage de titane issues de la fabrication additive par fusion en lit de poudre - AMS 2801: relative aux traitements thermiques des alliages de titane -AMS H 81200: idem -Détente TA6V: 59O C +/-14 C, 2 h (AMS 2801) -Détente TA6V: 480 650 C +/-14 C, 1-4 h (AMS H -81200) -Ex. Détente sur base Co-Cr: 600 C 2 h 14
1 Fours de Traitement Thermique sous Vide 15
Ex. de vieillissement sur fabrication additive d acier Maraging (X3NiCoMoTi18-9-5) Maragingbrut de déposition sans et avec vieillisementà 490 C 6 h en four sous vide Mono cordon 1D 16 Multi cordon 1D Collaboration PEP - Bodycote
Ex. de vieillissement sur fabrication additive d acier Maraging (X3NiCoMoTi18-9-5) Multi cordon structure 3D brut de déposition coupe AA et coupe BB perpendiculaire 17 Collaboration PEP - Bodycote
Ex. de vieillissement sur fabrication additive d acier Maraging (X3NiCoMoTi18-9-5) Multi cordon structure 3D vielli coupe AA et coupe BB perpendiculaire 18 Collaboration PEP - Bodycote
Ex. de vieillissement sur fabrication additive d acier Maraging (X3NiCoMoTi18-9-5) Etat de surface brut de déposition ou après lasérisation de surface 19 Collaboration PEP - Bodycote
Principe du CIC - HIP La compression isostatique à chaud (C.I.C. ou H.I.P.) consiste à combiner l effet d une forte pression appliquée par un gaz neutre à une température élevée. Pression: 1000 2000 Bar Température: 600 2000 C Gaz: Argon Cette combinaison permet de supprimer les vides (i.e. retassure, porosité interne) par écoulement plastique et diffusion des atomes ou/et des lacunes.
Equipement de Compression Isostatique à Chaud - HIP 21 Applicable sur aciers, base nickel, alliages d aluminium, cobalt chrome, alliages de titane, céramiques La compression isostatique à chaud permet : de supprimer les porosités fermées non débouchantesprésentent dans les pièces fabriquées en additive ou par fonderie avec comme gain : Une meilleur reproductibilité des résultats et propriétés mécaniques Un accroissement de la limite de fatigue, de la ductilité
Ex. de traitement CIC sur fabrication additive INCONEL 718 (Ni55-Cr20-Nb5-Mo3-Ti-Al) CIC à 1160 C 3h 1020 Bar - Argon TA6V: CIC à 920 C 2h 1000 Bar - Argon Aprés HIP 22 Avant HIP Aprés HIP
Ex. de trait. CIC sur fabrication additive TA6V Avant HIP Avant HIP Avant HIP 23
Ex. CIC sur fabrication additive TA6V Après HIP Avant HIP Après HIP 24 Après HIP après HIP structure α + β recristallisée Avant HIP Après HIP
Ex. de vieillissement sur fabrication additive d acier Maraging (X3NiCoMoTi18-9-5) après HIP Multi cordon structure 3D HIPée coupe AA et HIPée vieillie coupe AA Absence porosité particules TiAlO2 25 Collaboration PEP - Bodycote
Ex. d assemblage par Brasage sous Vide sur fabrication additive de base nickel et base cobalt Joint brasé à base nickel de 25 30 µm d épaisseur entre une base nickel de type Inconel et une base cobalt 26 Cette méthode permet de réaliser des pièces multi-matériaux de forme très complexe et/ou de grande taille avec possibilité de finition de surface de certaine zone critique avant assemblage
Conclusion La fabrication additive de pièces industrielles se développent désormais à grande vitesse et de façon irrémédiable, sur des pièces complexes et à forte valeur ajoutée, dans de nombreux secteurs comme: l aéronautique, le médical, les outillages, l énergie et les machines spéciales. La technologie nécessite encore des mises au point et améliorations à différents niveaux afin d assurer un standard de qualité et de performance en service encore plus élevés. De nombreuses pièces sont encore en développement afin d obtenir une qualification ou surmonter des batteries de tests de validation. Les opérations de traitement thermique et thermomécanique jouent un rôle essentiel dans la chaîne de fabrication additive pour améliorer grandement, les performances métallurgiques des microstructures produites. Toutefois, ceci nécessite la maitrise d équipements adaptés, des qualifications spécifiques et un savoir-faire basé sur l expérience industrielle, afin de garantir une prestation élevée à un coût compatible avec leur utilisation. 27