EP3924123A1 - Procede de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium - Google Patents

Procede de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium

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Publication number
EP3924123A1
EP3924123A1 EP20710219.5A EP20710219A EP3924123A1 EP 3924123 A1 EP3924123 A1 EP 3924123A1 EP 20710219 A EP20710219 A EP 20710219A EP 3924123 A1 EP3924123 A1 EP 3924123A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optionally
heat treatment
alloying elements
ppm
individually
Prior art date
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Pending
Application number
EP20710219.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bechir CHEHAB
Ravi Shahani
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
C Tec Constellium Technology Center SAS
Original Assignee
C Tec Constellium Technology Center SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by C Tec Constellium Technology Center SAS filed Critical C Tec Constellium Technology Center SAS
Priority claimed from PCT/FR2020/050266 external-priority patent/WO2020165543A1/fr
Publication of EP3924123A1 publication Critical patent/EP3924123A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the technical field of the invention is a process for manufacturing an aluminum alloy part, using an additive manufacturing technique.
  • additive manufacturing techniques consist in shaping a part by adding material, unlike machining techniques, aiming to remove material.
  • additive manufacturing is defined according to the French standard XP E67-001: "set of processes allowing to manufacture, layer by layer, by adding material, a physical object from a digital object".
  • the ASTM F2792-10 standard also defines additive manufacturing. Different modalities of additive manufacturing are also defined and described in standard ISO / ASTM 17296-1.
  • the use of additive manufacturing to make an aluminum part with low porosity has been described in document WO2015006447.
  • the application of successive layers is generally carried out by applying a so-called filler material, then melting or sintering of the filler material using an energy source of the laser beam, electron beam, plasma torch type. or electric arc.
  • the thickness of each layer added is of the order of a few tens or hundreds of microns.
  • Other publications describe the use of aluminum alloys as a filler material, in the form of a powder or a wire.
  • WAAM acronym for "Wire + Arc Additive Manufacturing” on alloys of aluminum for the constitution of low porosity parts intended for the aeronautical field.
  • the WAAM process is based on arc welding.
  • Patent application US20170016096 describes a process for manufacturing a part by localized melting obtained by exposing a powder to an energy beam of the electron beam or laser beam type, the process also being designated by the acronyms Anglosaxons SLM, meaning "Selective Laser Melting” or "EBM”, meaning "Electro Beam Melting”.
  • the mechanical properties of aluminum parts obtained by additive manufacturing depend on the alloy forming the filler metal, and more precisely on its composition as well as on the heat treatments applied following the implementation of additive manufacturing.
  • Aluminum silicon alloys of the 4XXX type, possibly comprising Mg, are currently considered to be the most mature alloys for the application of the SLM process.
  • this type of alloy can present certain difficulties during anodization.
  • their conductivity, both thermal and electrical, is limited.
  • the inventors have determined an alloy composition which, used in an additive manufacturing process, makes it possible to obtain parts combining good mechanical properties as well as good electrical conductivity.
  • a first object of the invention is a method of manufacturing a part comprising a formation of successive metal layers, superimposed on each other, each layer being formed by the deposition of a filler metal, the filler metal being subjected to an input of energy so as to melt and to constitute, by solidifying, said layer, the process being characterized in that the filler metal is an aluminum alloy comprising the following alloying elements (% by weight):
  • Mg ⁇ 0.5% and preferably ⁇ 0.2% or even ⁇ 0.1%
  • alloying elements include, for example, Cr, V, Ti, Mn, Mo, W, Nb, Ta, Sc, Zn, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag, Li, Y, Yb, Er , Sn, In, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B and / or mischmetal.
  • the composition of the mischmetal is generally about 45 to 50% cerium, 25% lanthanum, 15 to 20% neodymium and 5% praseodymium.
  • the mass fraction of each other alloying element may be less than 500 ppm, or even 300 ppm, or even 200 ppm, or even 100 ppm.
  • the process can include the following characteristics, taken individually or according to technically feasible combinations:
  • Ni 3.5% - 6% or Ni: 3.5% - 5%;
  • Each layer can in particular describe a pattern defined from a digital model.
  • the method may include, following the formation of the layers, an application of at least one heat treatment.
  • the heat treatment may or may include relaxation, tempering or annealing, which may for example be carried out at a temperature preferably between 200 ° C and 500 ° C. It can also include dissolution and quenching. It can also include hot isostatic compression.
  • the method does not include a heat treatment of the quenching type following the formation of the layers.
  • the process does not include steps of dissolving followed by quenching.
  • the filler metal takes the form of a powder, exposure of which to a beam of light or of charged particles results in a localized melting followed by a solidification, so as to form a solid layer .
  • the filler metal is obtained from a filler wire, the exposure of which to a heat source, for example an electric arc, results in a localized melting followed by a solidification, so as to form a solid layer.
  • a second object of the invention is a metal part, obtained after application of a method according to the first object of the invention.
  • a third subject of the invention is a material, in particular in the form of a powder or of a wire, intended to be used as a filler material for an additive manufacturing process, characterized in that it is made of an aluminum alloy, having the following alloying elements (% by weight):
  • Mg ⁇ 0.5% and preferably ⁇ 0.2% or even ⁇ 0.1%
  • the aluminum alloy forming the filler material can have any one of the characteristics described in connection with the first subject of the invention.
  • the filler material can be in the form of a powder.
  • the powder may be such that at least 80% of the particles composing the powder have an average size in the following range: 5 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 5 to 25 ⁇ m, or 20 to 60 ⁇ m.
  • the diameter of the wire can in particular be from 0.5 mm to 3 mm, and preferably from 0.5 mm to 2 mm, and more preferably from 1 mm to 2 mm .
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an additive manufacturing process of SLM type.
  • FIG. 2 illustrates traction and electrical conduction properties determined during experimental tests, from samples manufactured by implementing an additive manufacturing process according to the invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an additive manufacturing process of WAAM type
  • FIG. 4 is a specimen geometry used to perform tensile testing.
  • x% - y% means greater than or equal to x% and less than or equal to y%.
  • impurity is meant chemical elements present in the alloy unintentionally.
  • FIG. 1 schematizes the operation of an additive manufacturing process of the selective laser melting type (Selective Laser Melting or SLM).
  • the filler metal 15 is in the form of a powder placed on a support 10.
  • An energy source in this case a laser source 11, emits a laser beam 12.
  • the laser source is coupled to the material d. 'input by an optical system 13, the movement of which is determined as a function of a digital model M.
  • the laser beam 12 propagates along a propagation axis Z, and follows a movement along an XY plane, describing a pattern depending on the model digital.
  • the plane is for example perpendicular to the axis of propagation Z.
  • the interaction of the laser beam 12 with the powder 15 generates a selective melting of the latter, followed by a solidification, resulting in in the formation of a layer 20i ... 20 n .
  • a layer has been formed, it is covered with powder of the filler metal and another layer is formed, superimposed on the layer previously produced.
  • the thickness of the powder forming a layer may for example be 10 to 200 ⁇ m.
  • Average particle size of 5 to 100 ⁇ m, preferably 5 to 25 ⁇ m, or 20 to 60 ⁇ m.
  • the values given mean that at least 80% of the particles have an average size within the specified range.
  • the sphericity of a powder can for example be determined using a morphogranulometer
  • the flowability of a powder can for example be determined according to the ASTM B213 standard or the ISO 4490: 2018 standard. According to the ISO 4490: 2018 standard, the flow time is preferably less than 50;
  • Low porosity preferably from 0 to 5%, more preferably from 0 to 2%, even more preferably from 0 to 1% by volume.
  • the porosity can in particular be determined by image analysis from optical micrographs or by helium pycnometry (see ASTM B923);
  • Such a powder is particularly suitable for the implementation of an SLM type process.
  • Such a method makes it possible to obtain a production, in parallel, of several monolithic parts, and this at a reasonable cost.
  • the inventors have implemented an additive manufacturing process of SLM type to produce parts intended for aircraft, for example structural elements.
  • the inventors have observed that the application of heat treatments of the quenching type could induce a distortion of the part, due to the sudden temperature variation.
  • the distortion of the part is generally all the more significant the larger its dimensions.
  • the advantage of an additive manufacturing process is precisely to obtain a part whose shape, after manufacture is final, or almost final. The occurrence of a significant deformation resulting from a heat treatment should therefore be avoided.
  • a finishing machining can be carried out on the part after its manufacture: the part manufactured by additive manufacturing extends according to its final shape, except for the finishing machining.
  • the inventors sought an alloy composition, forming the filler material, making it possible to obtain acceptable mechanical properties, without requiring the application of heat treatments, subsequent to the formation of the layers, risking damage. 'induce a distortion. This involves in particular avoiding heat treatments involving a sudden variation in temperature.
  • the invention makes it possible to obtain, by additive manufacturing, a part the mechanical properties of which are satisfactory, as well as the thermal or electrical conduction properties.
  • the filler material may be in the form of a wire or a powder.
  • the inventors have observed that by limiting the number of elements present in the alloy, beyond a content of 1% or 0.5%, a good compromise is obtained between the mechanical properties and thermal or electrical conduction. It is usually accepted that the addition of elements in the alloy makes it possible to improve certain mechanical properties of the part produced by additive manufacturing.
  • the term “mechanical properties” is understood to mean, for example, the elastic limit or the elongation at break. However, adding too much, or too much variety, of alloying chemical elements can adversely affect the thermal or electrical conduction properties of the part resulting from additive manufacturing.
  • the inventors have considered that it is useful to reach a compromise between the number and the amount of elements added to the alloy, so as to obtain acceptable mechanical and thermal (or electrical) conduction properties.
  • the inventors consider that such a compromise is obtained by limiting to one or two the number of chemical elements forming the aluminum alloy at a mass fraction greater than or equal to 1% or to 0.5%.
  • the Ni content of an aluminum alloy used in the invention is strictly greater than 3%, and preferably greater than or equal to 3.5%. It is preferably less than or equal to 7% or to 6% or to 5%. So :
  • Such a nickel content makes it possible to maintain a relatively low liquidus temperature, of the order of 650 ° C, when the alloy is binary, or can be considered as binary because of the low mass fraction of other elements in the alloy. 'alloy. This makes the alloy particularly suitable for use by an additive manufacturing type process.
  • the aluminum alloy may contain Fe.
  • the weight fraction of Fe is preferably less than or equal to 4%.
  • the presence of Fe in the alloy makes it possible to improve the mechanical properties, whether they are mechanical properties of traction or hardness. This is attributed to the formation of fine hardening dispersoids during the operation of the additive manufacturing process.
  • the aluminum alloy used in the invention may contain Zr, in a mass fraction of less than or equal to 1%, or even to 0.5%. Thus, 0% ⁇ Zr ⁇ 0.5% or 0% ⁇ Zr ⁇ 1%.
  • the method preferably comprises a post-manufacturing heat treatment of the part resulting from the implementation of the method by additive manufacturing. The presence of Zr then contributes to improving the mechanical properties, in particular the hardness, by the formation of AUZr precipitates at a temperature in the region of 400 ° C.
  • the heat treatment can be relaxation, tempering or annealing, carried out at a temperature preferably from 200 ° C to 500 ° C, and preferably from 300 ° C to 450 ° C.
  • the aluminum alloy may contain Si, with Si ⁇ 0.5%, or even Si ⁇ 0.2%, or even Si ⁇ 0.1%.
  • the aluminum alloy can also have other alloying elements, such as Cr, V, Ti, Mn, Mo, W, Nb, Ta, Sc, Zn, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag , Li, Y, Yb, Er, Sn, In, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B and / or mischmetal, according to a mass fraction individually strictly less than 0.1%, preferably less than 500 ppm , and preferably less than 300 ppm, or 200 ppm, or 100 ppm.
  • the alloy contains the least possible.
  • the mass fraction of Cr, V, Ti and Mo is preferably strictly less than 500 ppm, or than 200 ppm or 100 ppm.
  • the aluminum alloy may contain Cu, with Cu ⁇ 1%, or even Cu ⁇ 0.5%, or even ⁇ 0.2%, or even ⁇ 0.1%.
  • the presence of Cu weakly lowers thermal or electrical conductivity.
  • the alloy as described above has the following advantages:
  • composition which may be free from rare materials, for example Sc or rare earths;
  • microstructures rapidly solidified and formed from alloys based on transition metals are considered to exhibit good corrosion resistance.
  • One possible cause is the absence of large particles usually referred to as “coarse particles” by those skilled in the art; good compatibility with electrochemical surface treatment processes, in particular anodization, by the absence, or the small amount, of Si and the fineness of the microstructure formed following the rapid solidification of the alloy.
  • the alloy as described above has good mechanical properties and good electrical conductivity without it being necessary to apply a post-manufacturing heat treatment.
  • the application of a heat treatment, of the tempered or annealed type makes it possible to improve the electrical conductivity (or thermal conductivity).
  • the temperature of the possible heat treatment can in particular be from 300 ° C to 500 ° C.
  • the duration of the possible heat treatment can be from 1 h to 100 h.
  • the method according to the present invention is generally carried out on a construction platform. Without being bound by the theory, it would seem that a heating of the building plate to a temperature of 50 to 300 ° C can be beneficial to reduce the residual stresses which can induce a distortion of the part or even thermal cracks.
  • the method may include a step of hot isostatic compression (CIC).
  • CIC treatment can in particular make it possible to improve the elongation properties and the fatigue properties.
  • Hot isostatic pressing can be performed before, after or instead of heat treatment.
  • the hot isostatic compression is carried out at a temperature of 250 ° C to 500 ° C and preferably from 300 ° C to 450 ° C, at a pressure of 500 to 3000 bars and for a period of 0.5 to 100 hours.
  • the possible heat treatment and / or hot isostatic compression makes it possible in particular to increase the electrical or thermal conductivity of the product obtained.
  • Hot isostatic compression can in this case advantageously replace dissolution.
  • the process according to the invention is advantageous, since it preferably does not require a solution treatment followed by quenching. Dissolution can have a detrimental effect on the mechanical strength in certain cases by participating in an enlargement of the dispersoids or of the fine intermetallic phases.
  • the method according to the present invention also optionally comprises a machining treatment, and / or a chemical, electrochemical or mechanical surface treatment, and / or a tribofinishing. These treatments can be carried out in particular to reduce the roughness and / or improve the resistance to corrosion and / or improve the resistance to the initiation of fatigue cracks.
  • FIG. 3 represents such an alternative.
  • An energy source 31 in this case a torch, forms an electric arc 32.
  • the torch 31 is held by a welding robot 33.
  • the part 20 to be produced is placed on a support 10.
  • the manufactured part is a wall extending along a transverse axis Z perpendicular to an XY plane defined by the support 10.
  • a filler wire 35 melts to form a weld bead.
  • the welding robot is controlled by a digital model M. It is moved so as to form different layers 20i ... 20 n , stacked on top of each other, forming the wall 20, each layer corresponding to a weld bead.
  • Each layer 20i ... 20 n extends in the XY plane, according to a pattern defined by the digital model M.
  • the diameter of the filler wire is preferably less than 3 mm. It can be from 0.5 mm to 3 mm and is preferably from 0.5 mm to 2 mm, or even from 1 mm to 2 mm. It is for example 1.2 mm.
  • SLS Selective Laser Sintering
  • SHS Selective Heat Sintering
  • EBM Electro Beam Melting
  • DED Direct Energy Deposition
  • DLD Direct Laser Deposition
  • LFMT Laser Freeform Manufacturing Technology
  • LMD Laser Metal Deposition
  • CSC Cold Spray Consolidation
  • Test parts were produced by SLM, using an EOS 290 SLM type machine (EOS supplier). The laser power was 290 W. The scanning speed was 1275 mm / s. The gap between two adjacent scan lines, usually designated by the term “vector gap”, usually designated by the term “hatch distance”, was 0.11 mm. Each metal layer was 60 ⁇ m thick. The build plate was heated to a temperature of 200 ° C.
  • the powder used had a particle size of essentially 3 ⁇ m to 100 ⁇ m, with a median of 39 ⁇ m, a 10% fractile of 16 ⁇ m and a 90% fractile of 76 ⁇ m.
  • the powder was formed from an alloy ingot using a Nanoval atomizer, at a temperature of 850 ° C. and a pressure difference of 4 bar.
  • the powder resulting from the atomization was filtered in size, the filtration size being 90 ⁇ m.
  • the first test pieces were produced, in the form of a cylinder with a diameter of 11 mm and a height of 46 mm.
  • the first test pieces, cylindrical, were used to develop specimens intended for tensile tests.
  • Second test pieces were produced, taking the form of parallelepipeds of dimensions 12 mm x 45 mm x 46 mm.
  • the second test pieces were used to perform electrical conductivity tests. All parts underwent a post-manufacturing stress relieving treatment for 4 hours at 300 ° C.
  • the first parts (with and without post-manufacturing heat treatment) were machined to obtain cylindrical tensile specimens with the following characteristics in mm (see Table 1 and Figure 4):
  • 0 represents the diameter of the central part of the test piece
  • M the width of the two ends of the test piece
  • LT the total length of the test piece
  • R the radius of curvature between the central part and the ends of the test piece
  • Le the length of the central part of the test piece
  • F the length of the two ends of the test piece.
  • the values mentioned in Table 1 are in millimeters.
  • Table 2 represents, for each test piece, the heat treatment time, the heat treatment temperature (° C), the elastic limit at 0.2% RP0.2 (MPa), the electrical conductivity (MS.m 1 ) as well as thermal conductivity (W / m / K).
  • the elastic limit was determined from the test pieces formed with the first test pieces, according to the manufacturing direction Z, that is to say according to the length.
  • the electrical conductivity was determined on the second test pieces using a Foerster Sigmatest 2.069 apparatus at 60 kHz, after polishing them using 180 grit sandpaper.
  • the thermal conduction properties were calculated from the measured electrical conductivity, based on the linear relationship previously mentioned.
  • the duration of Oh corresponds to an absence of heat treatment after the expansion.
  • FIG. 2 represents the results presented in table 2. This figure illustrates the tensile properties (y-axis, representing the elastic limit Rp0.2 expressed in MPa) in function of thermal conductivity (abscissa axis, representing thermal conductivity expressed in MS / m).
  • Certain parts whether they are the first test parts or the second test parts, have undergone a post-manufacturing heat treatment at 400 ° C, the duration of the treatment being either 1 h or 4 h.
  • Table 3 shows, for each test piece, the heat treatment time, the heat treatment temperature (° C), the yield strength at 0.2% RP0.2 (MPa), the electrical conductivity (MS / m) as well as thermal conductivity (W / m / K).
  • the elastic limit was determined from the specimens formed with the first test pieces, according to the production direction Z.
  • the electrical conductivity was determined on the second test pieces, after polishing the latter using d 180 grit sandpaper.
  • the thermal conduction properties were calculated from the measured electrical conductivity, based on the linear relationship previously discussed.

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Abstract

Procédé de fabrication d'une pièce (20) comportant une formation de couches métalliques successives (201…20n), superposées les unes aux autres, chaque couche étant formée par le dépôt d'un métal d'apport (15, 25), le métal d'apport étant soumis à un apport d'énergie de façon à entrer en fusion et à constituer, en se solidifiant, ladite couche, le procédé étant caractérisé en ce que le métal d'apport (15,25) est un alliage d'aluminium comportant les éléments d'alliage suivant (% en poids): - Ni : > 3 % et ≤ 7 %; - Fe : 0% -4 %; - éventuellement Zr : ≤ 0.5%; - éventuellement Si: ≤ 0.5%; - éventuellement Cu : ≤ 1 %; - éventuellement Mg : ≤ 0.5%; - autres éléments d'alliage:< 0.1 % individuellement, et au total < 0.5 %; - impuretés : < 0.05 % individuellement, et au total < 0.15 %; reste aluminium.

Description

Description
Titre : Procédé de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine technique de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium, mettant en oeuvre une technique de fabrication additive.
ART ANTERIEUR
Depuis les années 80, les techniques de fabrication additive se sont développées, qui consistent à mettre en forme une pièce par ajout de matière, à l'opposé des techniques d'usinage, visant à enlever de la matière. Autrefois cantonnée au prototypage, la fabrication additive est à présent opérationnelle pour fabriquer des produits industriels en série, y compris des pièces métalliques.
Le terme fabrication additive est défini selon la norme française XP E67-001 : "ensemble des procédés permettant de fabriquer, couche par couche, par ajout de matière, un objet physique à partir d'un objet numérique". La norme ASTM F2792-10 définit également la fabrication additive. Différentes modalités de fabrication additive sont aussi définies et décrites dans la norme ISO/ASTM 17296-1. Le recours à une fabrication additive pour réaliser une pièce en aluminium, avec une faible porosité, a été décrit dans le document W02015006447. L'application de couches successives est généralement réalisée par application d'un matériau dit d'apport, puis fusion ou frittage du matériau d'apport à l'aide d'une source d'énergie de type faisceau laser, faisceau électronique, torche plasma ou arc électrique. Quelle que soit la modalité de fabrication additive appliquée, l'épaisseur de chaque couche ajoutée est de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de microns. D'autres publications décrivent l'utilisation d'alliages d'aluminium en tant que matériau d'apport, sous la forme d'une poudre ou d'un fil. La publication Gu J. "Wire-Arc Additive Manufacturing of Aluminium" Proc. 25th Int. Solid Freeform Fabrication Symp., August 2014, University of Texas, 451-458, décrit un exemple d'application d'une modalité de fabrication additive désignée par le terme WAAM, acronyme de "Wire + Arc Additive Manufacturing" sur des alliages d'aluminium pour la constitution de pièces de faible porosité destinées au domaine de l'aéronautique. Le procédé WAAM est basé sur le soudage à l'arc. Il consiste à empiler différentes couches successivement les unes sur les autres, chaque couche correspondant à un cordon de soudure formé à partir d'un fil. Ce procédé permet d'obtenir une masse cumulée de matériau déposé relativement importante, pouvant atteindre 3 kg/h. Lorsque ce procédé est mis en oeuvre en utilisant un alliage d'aluminium, ce dernier est généralement un alliage de type 2319. La publication Fixter "Preliminary Investigation into the Suitability of 2xxx Alloys for Wire- Arc Additive Manufacturing" étudie les propriétés mécaniques de pièces fabriquées à l'aide de la méthode WAAM, à l'aide de plusieurs alliages d'aluminium. Plus particulièrement, la teneur en cuivre étant maintenue entre 4 et 6 % en masse, les auteurs ont fait varier la teneur en magnésium et déterminé la sensibilité de fissuration à chaud, usuellement désignée par le terme "hot cracking susceptibility", d'alliages 2xxx lors de la mise en oeuvre d’un procédé de type WAAM. Les auteurs concluent qu’une teneur optimale en magnésium est de 1.5 %, et que l’alliage d’aluminium 2024 est particulièrement approprié.
D’autres méthodes de fabrication additive sont utilisables. Citons par exemple, et de façon non limitative, la fusion ou le frittage d’un matériau d’apport prenant la forme d’une poudre. Il peut s'agir de fusion ou de frittage laser. La demande de brevet US20170016096 décrit un procédé de fabrication d'une pièce par fusion localisée obtenue par l'exposition d'une poudre à un faisceau d'énergie de type faisceau d'électrons ou faisceau laser, le procédé étant également désigné par les acronymes anglosaxons SLM, signifiant "Sélective Laser Melting" ou "EBM", signifiant "Electro Beam Melting".
Les propriétés mécaniques des pièces d'aluminium obtenues par fabrication additive dépendent de l'alliage formant le métal d'apport, et plus précisément de sa composition ainsi que des traitements thermiques appliqués suite à la mise en oeuvre de la fabrication additive.
Les alliages d'aluminium au silicium, de type 4XXX, comportant éventuellement Mg, sont actuellement considérés comme les alliages les plus mâtures pour l'application du procédé SLM. Cependant, ce type d'alliage peut présenter certaines difficultés lors de l'anodisation. De plus, leur conductivité, aussi bien thermique qu'électrique, est limitée.
Les inventeurs ont déterminé une composition d'alliage qui, utilisée dans un procédé de fabrication additive, permet d'obtenir des pièces associant de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu'une bonne conductivité électrique.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un premier objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une pièce comportant une formation de couches métalliques successives, superposées les unes aux autres, chaque couche étant formée par le dépôt d'un métal d'apport, le métal d'apport étant soumis à un apport d'énergie de façon à entrer en fusion et à constituer, en se solidifiant, ladite couche, le procédé étant caractérisé en ce que le métal d'apport est un alliage d'aluminium comportant les éléments d'alliage suivant (% en poids) :
- Ni : > 3 % et < 7 % ;
- Fe : 0 % - 4 % ;
- éventuellement Zr : < 0.5 % ;
- éventuellement Si : < 0.5 % et de préférence < 0.2 % voire < 0.1 % ;
- éventuellement Cu : < 1 % et de préférence < 0.5 %, plus préférentiellement < 0.2 %, voire < 0.1 % ;
- éventuellement Mg : < 0.5 % et de préférence < 0.2 % voire < 0.1 % ;
- autres éléments d'alliage : < 0.1 % individuellement, et au total < 0.5 % ;
- impuretés : < 0.05 % individuellement, et au total < 0.15 % ;
reste aluminium. Parmi les autres éléments d'alliage, citons par exemple Cr, V, Ti, Mn, Mo, W, Nb, Ta, Sc, Zn, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag, Li, Y, Yb, Er, Sn, In, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B et/ou du mischmétal. De manière connue de l'homme du métier, la composition du mischmétal est généralement d’environ 45 à 50 % de cérium, 25 % de lanthane, 15 à 20 % de néodyme et 5 % de praséodyme. La fraction massique de chaque autre élément d’alliage peut être inférieure à 500 ppm, voire à 300 ppm, voire à 200 ppm, voire à 100 ppm.
Le procédé peut comporter les caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon les combinaisons techniquement réalisables :
- Ni : 3.5 % - 6 % ou Ni : 3.5 % - 5 % ;
- Fe : 0.5 % - 3 % ou Fe : < 1 % ; Chaque couche peut notamment décrire un motif défini à partir d’un modèle numérique.
Le procédé peut comporter, suite à la formation des couches, une application d’au moins un traitement thermique. Le traitement thermique peut être ou comporter une détente, un revenu ou un recuit, pouvant par exemple être effectué à une température préférentiellement comprise de 200°C à 500°C. Il peut également comporter une mise en solution et une trempe. Il peut également comporter une compression isostatique à chaud. Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé ne comporte pas de traitement thermique de type trempe suite à la formation des couches. Ainsi, de préférence, le procédé ne comporte pas d'étapes de mise en solution suivie d'une trempe.
Selon un mode de réalisation, le métal d'apport prend la forme d'une poudre, dont l'exposition à un faisceau de lumière ou de particules chargées résulte en une fusion localisée suivie d'une solidification, de façon à former une couche solide. Selon un autre mode de réalisation, le métal d'apport est issu d'un fil d'apport, dont l'exposition à une source de chaleur, par exemple un arc électrique, résulte en une fusion localisée suivie d'une solidification, de façon à former une couche solide.
Un deuxième objet de l'invention est une pièce métallique, obtenue après application d'un procédé selon le premier objet de l'invention.
Un troisième objet de l'invention est un matériau, notamment sous la forme d'une poudre ou d'un fil, destiné à être utilisé en tant que matériau d'apport d'un procédé de fabrication additive, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un alliage d'aluminium, comportant les éléments d'alliage suivants (% en poids) :
- Ni : > 3 % et < 7 % ;
- Fe : 0 % - 4 % ;
- éventuellement Zr : < 0.5 % ;
- éventuellement Si : < 0.5 % et de préférence < 0.2 % voire < 0.1 % ;
- éventuellement Cu : < 1 % et de préférence < 0.5 %, plus préférentiellement < 0.2 % voire < 0.1 % ;
- éventuellement Mg : < 0.5 % et de préférence < 0.2 % voire < 0.1 % ;
- autres éléments d'alliage : < 0.1 % individuellement, et au total < 0.5 % ;
- impuretés : < 0.05 % individuellement, et au total < 0.15 % ;
reste aluminium.
L'alliage d'aluminium formant le matériau d'apport peut présenter l'une quelconque des caractéristiques décrites en lien avec le premier objet de l'invention.
Le matériau d'apport peut se présenter sous la forme d'une poudre. La poudre peut être telle qu'au moins 80 % des particules composant la poudre ont une taille moyenne dans la plage suivante : 5 pm à 100 pm, de préférence de 5 à 25 pm, ou de 20 à 60 pm. Lorsque le matériau d'apport se présente sous la forme d'un fil, le diamètre du fil peut notamment être de 0.5 mm à 3 mm, et de préférence de 0.5 mm à 2 mm, et encore de préférence de 1 mm à 2 mm.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés sur les figures listées ci-dessous.
FIGURES
[Fig. 1] La figure 1 est un schéma illustrant un procédé de fabrication additive de type SLM.
[Fig. 2] La figure 2 illustre des propriétés de traction et de conduction électrique déterminées au cours d'essais expérimentaux, à partir d'échantillons fabriqués en mettant en oeuvre un procédé de fabrication additive selon l'invention.
[Fig. 3] La figure 3 est un schéma illustrant un procédé de fabrication additive de type WAAM [Fig. 4] La figure 4 est une géométrie d'éprouvette utilisée pour effectuer des essais de traction.
EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Dans la description, sauf indication contraire :
la désignation des alliages d'aluminium est conforme à la nomenclature de The Aluminum Association ;
les teneurs en éléments chimiques sont désignées en % et représentent des fractions massiques. La notation x % - y % signifie supérieur ou égal à x % et inférieur ou égal à y %.
Par impureté, on entend des éléments chimiques présents dans l'alliage de façon non intentionnelle.
La figure 1 schématise le fonctionnement d'un procédé de fabrication additive de type fusion sélective par laser (Sélective Laser Melting ou SLM). Le métal d'apport 15 se présente sous la forme d'une poudre disposée sur un support 10. Une source d'énergie, en l'occurrence une source laser 11, émet un faisceau laser 12. La source laser est couplée au matériau d'apport par un système optique 13, dont le mouvement est déterminé en fonction d'un modèle numérique M. Le faisceau laser 12 se propage selon un axe de propagation Z, et suit un mouvement selon un plan XY, décrivant un motif dépendant du modèle numérique. Le plan est par exemple perpendiculaire à l'axe de propagation Z. L'interaction du faisceau laser 12 avec la poudre 15 engendre une fusion sélective de cette dernière, suivie d'une solidification, résultant en la formation d'une couche 20i...20n. Lorsqu'une couche a été formée, elle est recouverte de poudre 15 du métal d'apport et une autre couche est formée, superposée à la couche préalablement réalisée. L'épaisseur de la poudre formant une couche peut par exemple être de 10 à 200 pm.
La poudre peut présenter au moins l'une des caractéristiques suivantes :
Taille moyenne de particules de 5 à 100 pm, de préférence de 5 à 25 pm, ou de 20 à 60 pm. Les valeurs données signifient qu'au moins 80 % des particules ont une taille moyenne dans la gamme spécifiée.
Forme sphérique. La sphéricité d'une poudre peut par exemple être déterminée en utilisant un morphogranulomètre
Bonne coulabilité. La coulabilité d'une poudre peut par exemple être déterminée selon la norme ASTM B213 ou la norme ISO 4490 : 2018. Selon la norme ISO 4490 : 2018, le temps d'écoulement est de préférence inférieur à 50 ;
Faible porosité, de préférence de 0 à 5 %, plus préférentiellement de 0 à 2 %, encore plus préférentiellement de 0 à 1 % en volume. La porosité peut notamment être déterminée par analyse d'images à partir de micrographies optiques ou par pycnométrie à l’hélium (voir la norme ASTM B923) ;
Absence ou faible quantité (moins de 10 %, de préférence moins de 5 % en volume) de petites particules (1 à 20 % de la taille moyenne de la poudre), dites satellites, qui collent aux particules plus grosses.
Une telle poudre est particulièrement adaptée à la mise en oeuvre d'un procédé de type SLM. Un tel procédé permet d'obtenir une fabrication, en parallèle, de plusieurs pièces monolithiques, et cela à un coût raisonnable.
Les inventeurs ont mis en oeuvre un procédé de fabrication additive de type SLM pour réaliser des pièces destinées à des aéronefs, par exemple des éléments de structure. Cependant, les inventeurs ont observé que l'application de traitements thermiques de type trempe pouvaient induire une distorsion de la pièce, du fait de la variation brutale de température. La distorsion de la pièce est généralement d'autant plus significative que ses dimensions sont importantes. Or, l'avantage d'un procédé de fabrication additif est précisément d'obtenir une pièce dont la forme, après fabrication est définitive, ou quasi-définitive. La survenue d'une déformation significative résultant d'un traitement thermique est donc à éviter. Par quasi-définitive, il est entendu qu'un usinage de finition peut être effectué sur la pièce après sa fabrication : la pièce fabriquée par fabrication additive s'étend selon sa forme définitive, à l'usinage de finition près.
Ayant constaté ce qui précède, les inventeurs ont cherché une composition d'alliage, formant le matériau d'apport, permettant d'obtenir des propriétés mécaniques acceptables, sans nécessiter l'application de traitements thermiques, subséquents à la formation des couches, risquant d'induire une distorsion. Il s'agit notamment d'éviter les traitements thermiques impliquant une variation brutale de la température. Ainsi, l'invention permet d'obtenir, par fabrication additive, une pièce dont les propriétés mécaniques sont satisfaisantes, de même que les propriétés de conduction thermique ou électrique. En fonction du type de procédé de fabrication additive choisi, le matériau d'apport peut se présenter sous la forme d'un fil ou d'une poudre.
Les inventeurs ont constaté qu'en limitant le nombre d'éléments présents dans l'alliage, au-delà d'une teneur de 1 % ou de 0.5 %, on obtient un bon compromis entre les propriétés mécaniques et de conduction thermique ou électrique. Il est usuellement admis que l'ajout d'éléments dans l'alliage permet d'améliorer certaines propriétés mécaniques de la pièce réalisée par fabrication additive. Par propriétés mécaniques, on entend par exemple la limite d'élasticité ou l'allongement à la rupture. Cependant, l'ajout d'une trop grande quantité, ou d'une trop grande diversité, d'éléments chimiques d'alliage peut nuire aux propriétés de conduction thermique ou électrique de la pièce résultant de la fabrication additive.
Les inventeurs ont estimé qu'il était utile d'aboutir à un compromis entre le nombre et la quantité des éléments ajoutés dans l'alliage, de façon à obtenir des propriétés mécaniques et de conduction thermique (ou électrique) acceptables.
Les inventeurs considèrent qu'on obtient un tel compromis en limitant à 1 seul ou à deux le nombre d'éléments chimiques formant l'alliage d'aluminium à une fraction massique supérieure ou égale à 1 % ou à 0,5 %.
La teneur en Ni d'un alliage d'aluminium mis en oeuvre dans l'invention est strictement supérieure à 3 %, et de préférence supérieure ou égale à 3.5 %. Elle est de préférence inférieure ou égale à 7 % ou à 6 % ou à 5 %. Ainsi :
- 3% < Ni < 7 % ou 3 % < Ni < 6 % ou 3 % < Ni < 5 % ;
et, de préférence, 3.5 % < Ni < 7 % ou 3.5 % < Ni < 6 % ou 3.5 % < Ni < 5 %. Il est considéré que la conductivité électrique (ou thermique) baisse lorsque la concentration en Ni augmente. Inversement, lorsque la concentration en Ni augmente, les propriétés mécaniques de la pièce fabriquée s'améliorent. On estime qu'on obtient un meilleur compromis entre la conductivité et les propriétés mécaniques lorsque la fraction massique de Ni est de 3.5 % à 6 % ou de 3,5 % à 5 %.
Une telle teneur en Nickel permet de maintenir une température de liquidus relativement faible, de l'ordre de 650°C, lorsque l'alliage est binaire, ou peut être considéré comme binaire du fait de la faible fraction massique d'autres éléments dans l'alliage. Cela rend l'alliage particulièrement adapté à une mise en oeuvre par un procédé de type fabrication additive.
Outre Ni, l'alliage d'aluminium peut comporter Fe. Dans ce cas, la fraction massique de Fe est de préférence inférieure ou égale à 4 %. Ainsi, 0 % < Fe < 4 %. De préférence, 0,5 % < Fe < 3 %. Selon un mode de réalisation, Fe < 1 %. La présence de Fe dans l'alliage permet d'améliorer les propriétés mécaniques, qu'il s'agisse des propriétés mécaniques de traction ou la dureté. Cela est attribué à une formation de dispersoïdes fins durcissants au cours de la mise en oeuvre du procédé de fabrication additive.
Outre Ni et éventuellement Fe, l'alliage d'aluminium mis en oeuvre dans l'invention peut comporter Zr, selon une fraction massique inférieure ou égale à 1 %, voire à 0.5 %. Ainsi, 0 % < Zr < 0,5 % ou 0 % < Zr < 1 %. Lorsque l'alliage comporte Zr, le procédé comporte, de préférence, un traitement thermique post-fabrication de la pièce résultant de la mise en oeuvre du procédé par fabrication additive. La présence de Zr contribue alors à améliorer les propriétés mécaniques, en particulier la dureté, par la formation de précipités AUZr à une température voisine de 400°C. Le traitement thermique peut être une détente, un revenu ou un recuit, effectué à une température de préférence de 200°C à 500°C, et de préférence de 300°C à 450°C
L'adjonction de Fe ou Zr est considérée comme sans impact significatif sur la conductivité thermique, du fait de leur faible solubilité à une température voisine de 400°C.
Selon un mode de réalisation, l'alliage d'aluminium peut comporter Si, avec Si < 0.5 %, voire Si < 0.2 %, voire Si < 0.1 %. L'alliage d'aluminium peut également comporter d'autres éléments d’alliage, tels que Cr, V, Ti, Mn, Mo, W, Nb, Ta, Sc, Zn, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag, Li, Y, Yb, Er, Sn, In, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B et/ou du mischmétal, selon une fraction massique individuellement strictement inférieure à 0,1 % de préférence inférieure à 500 ppm, et de préférence inférieure à 300 ppm, ou à 200 ppm, ou à 100 ppm. Cependant, certains de ces éléments d’alliage, en particulier Cr, V, Ti et Mo dégradent la conductivité. Il est préférable que l’alliage en contienne le moins possible. Ainsi, la fraction massique de Cr, V, Ti et Mo est de préférence strictement inférieure à 500 ppm, ou à 200 ppm ou à 100 ppm.
Selon un mode de réalisation, l'alliage d'aluminium peut comporter Cu, avec Cu < 1 %, voire Cu < 0.5 %, voire < 0.2 %, voire < 0.1 %. La présence de Cu abaisse faiblement la conductivité thermique ou électrique.
Outre de bonnes propriétés mécaniques et de conductivité électrique ou thermique, l'alliage tel que précédemment décrit comporte les avantages suivants :
une composition pouvant être exempte de matériaux rares, par exemple Sc ou des terres rares ;
une bonne résistance à la corrosion : en effet, il est considéré que les microstructures rapidement solidifiées et formées à partir d'alliages basés sur des métaux de transition présentent une bonne résistance à la corrosion. Une cause possible est l'absence de grosses particules usuellement désignées "coarse particles" par l'homme du métier ; une bonne comptabilité à des procédés électrochimiques de traitement de surface, en particulier l'anodisation, par l'absence, ou la faible quantité, de Si et la finesse de la microstructure formée suite à la solidification rapide de l'alliage.
Par ailleurs, l'alliage tel que précédemment décrit présente de bonnes propriétés mécaniques et une bonne conductivité électrique sans qu'il soit nécessaire d'appliquer un traitement thermique post-fabrication. Comme décrit par la suite, dans les exemples expérimentaux, l'application d'un traitement thermique, de type revenu ou recuit, permet d'améliorer la conductivité électrique (ou la conductivité thermique). Cependant, il s'accompagne également d'une baisse des propriétés mécaniques. La température de l'éventuel traitement thermique peut notamment être de 300°C à 500°C. La durée de l'éventuel traitement thermique peut être de lh à 100 h.
Une relation de dépendance linéaire de la conductivité thermique et de la conductivité électrique, selon la loi de Wiedemann Franz, a été validée dans la publication Hatch "Aluminium properties and physical metallurgy" ASM Metals Park, OH, 1988. Ainsi, l'alliage tel que précédemment décrit permet l'obtention de pièces présentant une conductivité thermique élevée.
Le procédé selon la présente invention est généralement réalisé sur un plateau de construction. Sans être lié par la théorie, il semblerait qu'un chauffage du plateau de construction à une température de 50 à 300°C puisse être bénéfique pour réduire les contraintes résiduelles qui peuvent induire une distorsion de la pièce voire des fissures d'origine thermique.
Selon un mode de réalisation, le procédé peut comporter une étape de compression isostatique à chaud (CIC). Le traitement CIC peut notamment permettre d'améliorer les propriétés d'allongement et les propriétés en fatigue. La compression isostatique à chaud peut être réalisée avant, après ou à la place du traitement thermique. Avantageusement, la compression isostatique à chaud est réalisée à une température de 250°C à 500°C et de préférence de 300°C à 450°C, à une pression de 500 à 3000 bars et pendant une durée de 0,5 à 100 heures.
L’éventuel traitement thermique et/ou la compression isostatique à chaud permet en particulier d'augmenter la conductivité électrique ou thermique du produit obtenu.
Selon un autre mode de réalisation, adapté aux alliages à durcissement structural, on peut réaliser une mise en solution suivie d'une trempe et d'un revenu de la pièce formée et/ou une compression isostatique à chaud. La compression isostatique à chaud peut dans ce cas avantageusement se substituer à la mise en solution.
Cependant le procédé selon l'invention est avantageux, car il ne nécessite de préférence pas de traitement de mise en solution suivi de trempe. La mise en solution peut avoir un effet néfaste sur la résistance mécanique dans certains cas en participant à un grossissement des dispersoïdes ou des phases intermétalliques fines.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon la présente invention comporte en outre optionnellement un traitement d'usinage, et/ou un traitement de surface chimique, électrochimique ou mécanique, et/ou une tribofinition. Ces traitements peuvent être réalisés notamment pour réduire la rugosité et/ou améliorer la résistance à la corrosion et/ou améliorer la résistance à l'initiation de fissures en fatigue.
Optionnellement, il est possible de réaliser une déformation mécanique de la pièce, par exemple après la fabrication additive et/ou avant le traitement thermique.
Bien que décrit en lien avec une méthode de fabrication additive de type SLM, le procédé peut être appliqué à d’autres méthodes de fabrication additive de type WAAM, évoqué en lien avec l’art antérieur. La figure 3 représente une telle alternative. Une source d’énergie 31, en l’occurrence une torche, forme un arc électrique 32. Dans ce dispositif, la torche 31 est maintenue par un robot de soudage 33. La pièce 20 à fabriquer est disposée sur un support 10. Dans cet exemple, la pièce fabriquée est un mur s'étendant selon un axe transversal Z perpendiculairement à un plan XY défini par le support 10. Sous l'effet de l'arc électrique 12, un fil d'apport 35 entre en fusion pour former un cordon de soudure. Le robot de soudage est commandé par un modèle numérique M. Il est déplacé de façon à former différentes couches 20i...20n, empilées les unes sur les autres, formant le mur 20, chaque couche correspondant à un cordon de soudure. Chaque couche 20i...20n s'étend dans le plan XY, selon un motif défini par le modèle numérique M.
Le diamètre du fil d'apport est de préférence inférieur à 3 mm. Il peut être de 0.5 mm à 3 mm et est de préférence de 0.5 mm à 2 mm, voire de 1 mm à 2 mm. Il est par exemple de 1.2 mm.
D'autres procédés sont par ailleurs envisageables, par exemple, et de façon non limitative :
- frittage sélectif par laser (Sélective Laser Sintering ou SLS) ;
- frittage direct du métal par laser (Direct Métal Laser Sintering ou DMLS) ;
- frittage sélectif par chauffage (Sélective Heat Sintering ou SHS) ;
- fusion par faisceau d'électrons (Electron Beam Melting ou EBM) ;
- dépôt par fusion laser (Laser Melting Déposition) ;
- dépôt direct par apport d'énergie (Direct Energy Déposition ou DED) ;
- dépôt direct de métal (Direct Métal Déposition ou DMD) ;
- dépôt direct par laser (Direct Laser Déposition ou DLD) ;
- technologie de dépôt par Laser (Laser Déposition Technology) ;
- ingénierie de formes nettes par laser (Laser Engineering Net Shaping) ;
- technologie de plaquage par laser (Laser Cladding Technology) ;
- technologie de fabrication de formes libres par laser (Laser Freeform Manufacturing Technology ou LFMT) ;
- dépôt par fusion laser (Laser Métal Déposition ou LMD) ;
- pulvérisation à froid (Cold Spray Consolidation ou CSC) ;
- fabrication additive par friction (Additive Friction Stir ou AFS) ;
- frittage par étincelle au plasma ou frittage flash (Field Assisted Sintering Technology, FAST ou spark plasma sintering) ; ou
- soudage par friction rotative (Inertia Rotary Friction Welding ou IRFW).
Exemples expérimentaux
Des premiers essais ont été réalisés en utilisant un alliage, dont la composition comportait, outre Al, Ni : 4 %, Fe : 1 %, impuretés : < 0.05 % avec un cumul d’impuretés < 0.15 %. Des pièces de test ont été réalisées par SLM, en utilisant une machine de type EOS 290 SLM (fournisseur EOS). La puissance du laser était de 290 W. La vitesse de balayage était égale à 1275 mm/s. L'écart entre deux lignes adjacentes de balayage, usuellement désigné par le terme "écart vecteur", usuellement désigné par le terme "hatch distance" était de 0.11 mm. Chaque couche de métal présentait une épaisseur de 60 pm. Le plateau de construction a été chauffé à une température de 200°C.
La poudre utilisée présentait une taille de particule essentiellement de 3 pm à 100 pm, avec une médiane de 39 pm, un fractile à 10 % de 16 pm et un fractile à 90 % de 76 pm. La poudre a été formée à partir d'un lingot d'alliage en mettant en oeuvre un atomiseur Nanoval, à une température de 850°C et une différence de pression de 4 bar. La poudre résultant de l'atomisation a été filtrée en taille, la taille de filtration étant de 90 pm.
Des premières pièces de test ont été réalisées, sous la forme de cylindre de diamètre 11 mmm et de hauteur 46 mm. Les premières pièces de test, cylindriques, ont été utilisées pour élaborer des éprouvettes destinées à des essais de traction. Des deuxièmes pièces de test ont été réalisées, prenant la forme de parallélépipèdes de dimensions 12 mm x 45 mm x 46 mm. Les deuxièmes pièces de test ont été utilisées pour effectuer des essais de conductivité électrique. Toutes les pièces ont subi un traitement de détente post-fabrication de 4 heures à 300°C.
Certaines pièces, qu'il s'agisse des premières pièces de test que les deuxièmes pièces de test, ont subi un traitement thermique supplémentaire post fabrication à 350°C, 400 °C ou 450°C, la durée du traitement étant de 1 h à 100 h.
Les premières pièces (avec et sans traitement thermique post-fabrication) ont été usinées pour obtenir des éprouvettes de traction cylindriques ayant les caractéristiques suivantes en mm (voir Tableau 1 et Figure 4) : Dans la Figure 4 et le Tableau 1, 0 représente le diamètre de la partie centrale de l'éprouvette, M la largeur des deux extrémités de l'éprouvette, LT la longueur totale de l'éprouvette, R le rayon de courbure entre la partie centrale et les extrémités de l'éprouvette, Le la longueur de la partie centrale de l'éprouvette et F la longueur des deux extrémités de l'éprouvette. Les valeurs mentionnées dans le tableau 1 sont en millimètre.
[Tableau 1] Les éprouvettes ainsi obtenues ont été testées en traction à température ambiante selon la norme NF EN ISO 6892-1 (2009-10).
Le tableau 2 représente, pour chaque pièce de test, la durée de traitement thermique, la température de traitement thermique (°C), la limite d'élasticité à 0.2 % RP0.2 (MPa), la conductivité électrique (MS.m 1) ainsi que la conductivité thermique (W/m/K). La limite d'élasticité a été déterminée à partir des éprouvettes formées avec les premières pièces de test, selon la direction de fabrication Z, c'est-à-dire selon la longueur. La conductivité électrique a été déterminée sur les deuxièmes pièces de test à l'aide d'un appareil Foerster Sigmatest 2.069 à 60 kHz, après polissage de ces dernières à l’aide d’un papier abrasif de grain 180. Les propriétés de conduction thermique ont été calculées à partir de la conductivité électrique mesurée, en se basant sur la relation linéaire précédemment évoquée.
Dans le tableau 2, la durée de Oh correspond à une absence de traitement thermique à l’issue de la détente.
[Tableau 2]
La figure 2 représente des résultats exposés sur le tableau 2. Cette figure illustre les propriétés de traction (axe des ordonnées, représentant la limite d’élasticité Rp0.2 exprimée en MPa) en fonction de la conductivité thermique (axe des abscisses, représentant la conductivité thermique exprimée en MS/m).
Sans application d'un traitement thermique, les propriétés mécaniques sont jugées satisfaisantes, avec une limite d'élasticité Rp 0.2 atteignant 196 MPa. Il en est de même des propriétés de conduction : sans traitement thermique, la conductivité électrique est égale à 27.25 MS/m. Il est rappelé que la conductivité électrique de l'aluminium pur est proche de 34 MS/m.
L'application d'un traitement thermique conduit à une augmentation de la conductivité, de l'ordre de 1 MS/m, au détriment de la limite d'élasticité (baisse d'environ 50 MPa).
Ces résultats montrent que suite à la fabrication de la pièce, l'application d'un traitement thermique, à une température supérieure à 300°C, n'est pas nécessaire. Les propriétés mécaniques ou de conduction thermique ou électrique sont satisfaisantes sans traitement thermique, outre l'éventuelle détente.
Une deuxième série d'essais a été effectuée en utilisant un alliage dont la composition comportait, outre Al, Ni : 5 %, Fe : 2 % impuretés : < 0.05 % avec un cumul d'impuretés < 0.15 %. Des premières pièces de test et des deuxièmes pièces de test ont été élaborées, telles que décrit en lien avec le premier essai. Toutes les pièces ont subi une détente à 300 °C pendant 4 heures.
Certaines pièces, qu'il s'agisse des premières pièces de test que les deuxièmes pièces de test, ont subi un traitement thermique post fabrication à 400 °C, la durée du traitement étant soit de lh, soit de 4h.
Le tableau 3 représente, pour chaque pièce de test, la durée de traitement thermique, la température de traitement thermique (°C), la limite d'élasticité à 0.2 % RP0.2 (MPa), la conductivité électrique (MS/m) ainsi que la conductivité thermique (W/m/K). La limite d'élasticité a été déterminée à partir des éprouvettes formées avec les premières pièces de test, selon la direction de fabrication Z. La conductivité électrique a été déterminée sur les deuxièmes pièces de test, après polissage de ces dernières à l'aide d'un papier abrasif de grain 180. Les propriétés de conduction thermique ont été calculées à partir de la conductivité électrique mesurée, en se basant sur la relation linéaire précédemment évoquée.
Dans le tableau 3, la durée de Oh correspond à une absence de traitement thermique à l'issue de la détente. [Tableau 3]
Comparativement à la première série d'essais, on observe une augmentation de la limite d'élasticité, mais une dégradation des propriétés de conductivité. Cela confirme que, lorsque la concentration en Ni augmente :
la conductivité électrique (ou thermique) baisse ;
les propriétés mécaniques de la pièce fabriquée s'améliorent.
Ainsi, il semble qu'une fraction massique de Ni dans la plage 3,5 % - 6 % ou, mieux, dans la plage de 3,5 % - 5 % corresponde à un meilleur compromis entre les propriétés mécaniques et les propriétés de conduction.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une pièce (20) comportant une formation de couches métalliques successives (20i...20n), superposées les unes aux autres, chaque couche étant formée par le dépôt d'un métal d'apport (15, 25), le métal d'apport étant soumis à un apport d'énergie de façon à entrer en fusion et à constituer, en se solidifiant, ladite couche, le procédé étant caractérisé en ce que le métal d'apport (15,25) est un alliage d'aluminium comportant les éléments d'alliage suivant (% en poids) :
- Ni : > 3 % et < 7 % ;
- Fe : 0 % - 4 % ;
- éventuellement Zr : < 0.5 % ;
- éventuellement Si : < 0.5 % ;
- éventuellement Cu : < 1 % ;
- éventuellement Mg : < 0.5 % ;
- autres éléments d'alliage : < 0.1 % individuellement, et au total < 0.5 % ;
- impuretés : < 0.05 % individuellement, et au total < 0.15 % ;
reste aluminium.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les autres éléments d'alliage sont choisis parmi : Cr, V, Ti, Mn, Mo, W, Nb, Ta, Sc, Zn, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag, Li, Y, Yb, Er, Sn, In, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B et/ou du mischmétal.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel Ni : 3.5 % - 6 %, de préférence Ni : 3.5 % - 5 %.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel Fe : 0.5 % - 3 %.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fraction massique de chaque autre élément d'alliage est inférieure à 500 ppm, voire inférieure 300 ppm, voire inférieure 200 ppm, voire inférieure à 100 ppm.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel Si : < 0.2 % ou Si : < 0.1 %.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel Cu : < 0.2 % ou Cu : < 0.1 %.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel Mg : < 0.2 % ou Mg : < 0.1 %.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant, suite à la formation des couches (20i...20n), une application d'un traitement thermique, de préférence une détente ou un revenu ou un recuit.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le traitement thermique est effectué à une température de 200°C à 500 °C.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ne comportant pas de traitement thermique de type trempe suite à la formation des couches.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le métal d'apport prend la forme d'une poudre (15), dont l'exposition à un faisceau de lumière (12) ou de particules chargées résulte en une fusion localisée suivie d'une solidification, de façon à former une couche solide (20i...20n).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le métal d'apport étant issu d'un fil d'apport (25), dont l'exposition à une source de chaleur (22) résulte en une fusion localisée suivie d'une solidification, de façon à former une couche solide (20i...20n).
14. Pièce métallique obtenue par un procédé objet de l'une quelconque des revendications précédentes.
15. Poudre, destinée à être utilisée en tant que matériau d'apport d'un procédé de fabrication additive, caractérisé en ce qu'elle est constituée d'un alliage d'aluminium, comportant les éléments d'alliage suivants (% en poids) :
- Ni : > 3 % et < 7 % ;
- Fe : 0 % - 4 % ;
- éventuellement Zr : < 0.5 % ;
- éventuellement Si : < 0.5 % ;
- éventuellement Cu : < 1 % ; - éventuellement Mg : < 0.5 % ;
- autres éléments d'alliage : < 0.1 % individuellement, et au total < 0.5 % ;
- impuretés : < 0.05 % individuellement, et au total < 0.15 % ;
reste aluminium.
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