Fusion Laser Selective de poudres de TA6V : microstructure et mécanismes de formation des porosités en lien avec les paramètres du procédé SLM et les propriétés structurales

Abstract

Le procédé de fusion laser sélective (SLM) est un procédé de fabrication additive des matériaux métalliques de type « Lit de poudre ». Il s’inscrit dans le concept de l’usine 4.0 et s’oppose aux procédés d’élaboration conventionnels où la matière est soustraite, déformée ou moulée. A partir d’un modèle numérique, les pièces sont élaborées couche par couche par ajout de matière. Le procédé SLM possède d’indéniables avantages car il permet de réaliser des économies de matière, de réduire les coûts de transport et d’élaborer des produits de petites tailles et/ou de formes complexes. Il s’inscrit également dans le concept de personnalisation de masse et de relocalisation des usines à proximité des lieux de consommation. Il souffre cependant d’un manque de répétabilité et de contrôle des propriétés des matériaux élaborés, ce qui entrave son développement à une plus grande échelle. Cela vient principalement du fait que les propriétés résultantes dépendent d’interactions complexes et encore mal cernées entre les caractéristiques des poudres entrantes, les paramètres du procédé et les paramètres microstructuraux. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous proposons de mieux comprendre les liens qui existent entre les paramètres d’élaboration de pièces en titane Ti-6Al-4V, la formation de porosités, leur microstructure et leurs propriétés structurales. Pour ce faire, une étude paramétrique a été conduite afin d’évaluer l’influence des paramètres puissance du laser, vitesse de balayage et espacement de lasage. Trois densités d’énergie ont été considérées (50, 75 et 100 J/mm3) et une stratégie de lasage rotative a été imposée. A partir d’une approche originale combinant des analyses 2D de faciès de rupture et des analyses 3D par tomographie X des pièces, deux mécanismes de formation des porosités ont été identifiés et caractérisés pour une densité d’énergie de 50J/mm3 : le manque de fusion et la dénudation. Dans ce cas, il est montré que la distribution spatiale des porosités est liée à la stratégie de lasage et que la fraction et la densité volumiques des porosités dépendent du couple « puissance du laser » et « vitesse de balayage ». Pour des densités d’énergie plus élevées (75 et 100 J/mm3), deux nouveaux mécanismes de formation des porosités ont été identifiés : celui par surfusion de la matière et celui par piégeage de gaz. Au niveau microstructural, l’ensemble des échantillons analysés présentent une structure martensitique α’ peu texturée. Pour une même densité d’énergie, la morphologie des grains de la phase mère β et la taille des aiguilles martensitiques α’ dépendent des paramètres du procédé. Une étude fine menée en Microscopie Electronique en Transmission a permis d’identifier avec certitude des macles non répertoriées dans la littérature. Il s’agit premièrement de macles de type {01-11} <-211-1>a' ou {0-111} <2-1-11>a’ avec une rotation de 57° autour de l’axe de zone [2-1-10]a’, un cisaillement dû au maclage de 0,542, et deuxièmement, de macles de type {01-11}<-12-15>a’ ou {-1011}<7-814>a’ avec une rotation de 63° autour de l’axe de zone [1-2-21]a’ et un cisaillement dû au maclage de 0,963. Ces macles témoignent d’un phénomène de relaxation des contraintes qui seraient induites par les vitesses de refroidissement importantes et la transformation martensitique. Au niveau des propriétés mécaniques, la présence de porosités diminue la ductilité du matériau, même pour des fractions de porosités relativement faibles (<1%). La reconstructions 3D d’un échantillon rompu par traction montre qu’il existe un lien biunivoque entre la répartition des porosités et le chemin des fissures. Enfin, les porosités formées par manque de fusion et par dénudation sont plus préjudiciables aux propriétés mécaniques que celles formées par surfusion. Ceci est à mettre en parallèle avec les fractions volumiques et les morphologies des porosités pour chaque mécanisme de formation.