FR3106289A1 - Particules metalliques nanostucturees pour la fabrication additive - Google Patents
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Abstract
Procédé pour améliorer la réflectivité de particules, en vue de leur utilisation dans un procédé de fabrication additive, comprenant les étapes suivantes :- fourniture de particules en un alliage comprenant un premier élément et un deuxième élément,- mise en contact des particules avec une solution acide, la vitesse de gravure du premier élément dans la solution acide étant supérieure à la vitesse de gravure du deuxième élément, moyennant quoi on grave le premier élément et on structure à l’échelle nanométrique la surface des particules. Après l’étape de gravure, la réflectivité totale des particules à 1064nm est inférieure à 15%. L’alliage est, de préférence, un alliage aluminium-silicium tel que AlSi12, ou un alliage fer-silicium, tel que FeSi6. Figure pour l’abrégé : 2D
Description
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication additive (FA) métallique.
L’invention concerne un procédé de fabrication de particules en un alliage, pour améliorer la réflectivité, en vue de leur utilisation dans un procédé de fabrication additive.
L’invention concerne également des particules obtenues avec un tel procédé.
L’invention concerne également un procédé de fabrication additive mettant en œuvre de telles particules.
L’invention trouve des applications dans de nombreux domaines industriels, et notamment pour tout procédé de fabrication additive qui repose sur l’application d’un faisceau laser sur une poudre métallique.
L’invention est particulièrement intéressante puisqu’elle permet d’améliorer considérablement la réflectivité des particules (jusqu’à plus de 40%) sans modifier significativement la composition globale de l’alliage.
L’invention trouve des applications, par exemple pour le secteur automobile, le domaine médical ou encore pour l’aéronautique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La fabrication additive, aussi appelée impression 3D, consiste à mettre en forme une pièce en réalisant un empilement de plusieurs couches de matériau déposées successivement les unes sur les autres jusqu’à obtenir la forme finale de la pièce. Chaque couche est fondue, puis solidifiée, sur la couche sous-jacente, de manière à assurer la cohésion de l’empilement. Il est ainsi possible de produire industriellement des pièces, de forme simple ou complexe, ayant des propriétés mécaniques satisfaisantes.
Actuellement, dans le domaine de la fabrication additive, les lasers communément utilisés dans ces procédés possèdent une longueur d’onde comprise allant de 1060nm à 1070nm, et plus précisément de 1064 nm. Cependant, certaines poudres métalliques ou en un alliage présentent une réflectivité importante à cette longueur d’onde (Figure 1).
De plus, comme ces matériaux conduisent très bien la chaleur, ceci pose également un problème pour réaliser leur fusion par laser. Le procédé pour réaliser des pièces à partir de tels matériaux nécessite donc des lasers à fortes puissances ou des temps d’exposition relativement longs, voire des plateaux d’impression chauffés, ce qui complique son industrialisation.
Afin de réduire la réflectivité des métaux ou des alliages métalliques, et donc d’améliorer leur absorption, une solution consiste à structurer leur surface.
Par exemple, dans la publication de Brown et al. (“The physical and chemical properties of electroless nickel-phosphorus alloys and low reflectance nickel-phosphorus black”, Journal of Materials Chemistry 12 (2002) 2749), des alliages Ni-P (dits nickel noirs) déposés sur des substrats plans sont soumis à diverses attaques chimiques notamment dans des solutions contenant de l’acide nitrique, un mélange d’acide sulfurique et d’acide nitrique ou un mélange d’acide sulfurique et de nitrate de sodium. Les alliages gravés par voie chimique présentent une structure nanométrique poreuse. Les observations microscopiques de la surface et en coupe révèlent la création de trous coniques, résultant de la dissolution du nickel, jouant le rôle de «piège à photons». La réflexion totale est de 0,4% à 633nm.
Ces travaux portent sur des surfaces planes et non spécifiquement sur des poudres.
Selon un autre exemple, Timmo et al. («Chemical etching of Cu2ZnSn(S,Se)4monograin powder», 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference 2010, DOI:10.1109/pvsc.2010.5616411) ont soumis des poudres de Cu2ZnSn(S,Se)4à différentes solutions de gravureafin de modifier la structure de la surface : HCl, KCN, Br2-MeOH et NH4OH. Il a été remarqué que HCl et KCN dissolvent principalement Cu, Sn et les chalcogènes alors que l’ammoniaque dissout sélectivement Cu et les chalcogènes. Ces poudres obtenues peuvent servir de matériaux pour des couches absorbantes de cellules solaires. Les propriétés de ces cellules (tension en circuit ouvert VOC, extraction du courant de court-circuit ISC et facteur de forme FF) sont légèrement améliorées: le rendement de conversion augmente de 4 %. L’absorption optique de la poudre en fonction de la longueur d’onde n’est pas analysée.
Un but de la présente invention est de proposer un procédé permettant d’obtenir des particules en un alliage métallique, absorbant efficacement le faisceau laser et pouvant être utilisées dans les technologies d’impression 3D par laser.
Pour cela la présente invention propose un procédé pour diminuer la réflectivité de particules, en vue de leur utilisation dans un procédé de fabrication additive, comprenant les étapes suivantes:
- fourniture de particules en un alliage, l’alliage comprenant un premier élément et un deuxième élément, la somme du pourcentage massique du premier élément et du pourcentage massique du deuxième élément représentant au moins 95% massique de l’alliage, et de préférence au moins 98% massique,
- mise en contact des particules avec une solution acide, la vitesse de gravure du premier élément dans la solution acide étant supérieure à la vitesse de gravure du deuxième élément dans la solution acide, moyennant quoi on grave le premier élément et on structure à l’échelle nanométrique la surface des particules, la réflectivité totale à 1064nm des particules gravées étant inférieure à 15%.
- fourniture de particules en un alliage, l’alliage comprenant un premier élément et un deuxième élément, la somme du pourcentage massique du premier élément et du pourcentage massique du deuxième élément représentant au moins 95% massique de l’alliage, et de préférence au moins 98% massique,
- mise en contact des particules avec une solution acide, la vitesse de gravure du premier élément dans la solution acide étant supérieure à la vitesse de gravure du deuxième élément dans la solution acide, moyennant quoi on grave le premier élément et on structure à l’échelle nanométrique la surface des particules, la réflectivité totale à 1064nm des particules gravées étant inférieure à 15%.
L’invention se distingue fondamentalement de l’art antérieur par la mise en œuvre d’une étape de gravure par voie humide sur de telles particules pour nanostructurer leur surface.
L’attaque chimique est réalisée de manière préférentielle, voire sélective, sur le premier élément de l’alliage.
La nanostructuration confère un relief (bosses, creux, forte rugosité) à la surface des particules, par gravure. La nanostructuration peut former une organisation surfacique régulière ou irrégulière. Cette nanostructuration sert de puits optique, ce qui améliore les interactions faisceau laser/particule. L’absorption du faisceau laser est favorisée au détriment de la réflexion. L’absorption du faisceau laser est améliorée d’au moins 10%, de préférence au moins 25% et encore plus préférentiellement au moins 40% par rapport à la particule initiale.
De telles particules sont particulièrement intéressantes, par exemple pour être utilisées dans un procédé de fabrication additive.
Les particules ont, à l’issue du procédé, une surface spécifique finale au moins deux fois supérieure, et de préférence au moins cinq fois supérieure par rapport à leur surface spécifique initiale (i.e. avant l’étape de gravure).
L’alliage comprend au moins deux éléments, indépendamment choisis l’un de l’autre, parmi un métal et un métalloïde.
Selon une première variante de réalisation avantageuse, le premier élément est l’aluminium et le deuxième élément est, de préférence, du silicium. L’alliage est, par exemple, AlSi12.
Selon cette première variante de réalisation, la solution acide comprend, avantageusement, un mélange d’acide fluorhydrique, d’acide nitrique et d’acide chlorhydrique.
Selon une deuxième variante de réalisation avantageuse, le premier élément est le fer et le deuxième élément est, de préférence, le silicium. L’alliage est, par exemple, FeSi6.
Selon cette deuxième variante de réalisation, la solution acide est une solution d’acide nitrique.
Avantageusement, les particules ont un diamètre allant de 1µm à 200µm, et encore plus avantageusement de 10µm à 60µm.
Le procédé présente de nombreux avantages:
- être simple et rapide à mettre en œuvre,
- il n’y a pas besoin de rajouter d’éléments absorbants à la surface sur les particules puisque la structuration est obtenue par gravure sélective d’un des éléments de l’alliage,
- à l’issue du procédé, la composition chimique des particules n’est pas significativement modifiée.
- être simple et rapide à mettre en œuvre,
- il n’y a pas besoin de rajouter d’éléments absorbants à la surface sur les particules puisque la structuration est obtenue par gravure sélective d’un des éléments de l’alliage,
- à l’issue du procédé, la composition chimique des particules n’est pas significativement modifiée.
L’invention concerne également des particules nanostructurées en un alliage, obtenues par le procédé tel que précédemment décrit, l’alliage comprenant un premier élément et un deuxième élément, la somme du pourcentage massique du premier élément et du pourcentage massique du deuxième élément représentant au moins 95% massique de l’alliage, la surface des particules étant structurées à l’échelle nanométrique, les particules ayant une réflectivité totale inférieure à 15% à 1064nm.
C’est un autre but de la présente invention de proposer un procédé d’élaboration de pièces en alliage métallique facile à mettre en œuvre et ne nécessitant pas une puissance laser trop élevée ou des temps d’irradiation trop longs, pour pouvoir être industrialisé.
L’invention concerne également un procédé de fabrication additive comportant une étape au cours de laquelle des particules sont fondues, les particules étant en un alliage, l’alliage comprenant un premier élément et un deuxième élément, la somme du pourcentage massique du premier élément et du pourcentage massique du deuxième élément représentant au moins 95% massique de l’alliage, la surface des particules étant structurées à l’échelle nanométrique et ayant une réflectivité totale inférieure à 15% à 1064nm.
Selon une première variante de réalisation avantageuse, le premier élément est l’aluminium et le deuxième élément est, de préférence, du silicium. L’alliage est, par exemple, AlSi12.
Selon une deuxième variante de réalisation avantageuse, le premier élément est le fer et le deuxième élément est, de préférence, le silicium. L’alliage est, par exemple, FeSi6.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront du complément de description qui suit.
Il va de soi que ce complément de description n’est donné qu’à titre d’illustration de l’objet de l’invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d’exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le procédé pour diminuer la réflectivité de particules, en vue de leur utilisation dans un procédé de fabrication additive, comprend les étapes suivantes:
a) fourniture de particules en un alliage comprenant au moins deux éléments,
b) mise en contact des particules avec une solution acide, la vitesse de gravure du premier élément dans la solution acide étant supérieure à la vitesse de gravure du deuxième élément, moyennant quoi on structure à l’échelle nanométrique les particules et on diminue la réflectivité totale des particules.
a) fourniture de particules en un alliage comprenant au moins deux éléments,
b) mise en contact des particules avec une solution acide, la vitesse de gravure du premier élément dans la solution acide étant supérieure à la vitesse de gravure du deuxième élément, moyennant quoi on structure à l’échelle nanométrique les particules et on diminue la réflectivité totale des particules.
Les particules fournies à l’étape a) sont des éléments ou objets de forme arrondie, allongée ou sphérique.
Une particule sphérique est privilégiée, pour favoriser un bon étalement des particules lors de la formation de la couche de particules (aussi appelé lit ou couche de poudre).
La plus grande dimension des particules est inférieure à 200µm. Elle va, par exemple, de 1µm à 100µm, de préférence de 5 à 80µm et encore plus préférentiellement de 10 à 60µm.
Par la suite, on nommera diamètre la plus grande dimension de la particule.
Par exemple, des diamètres de 1µm à 50µm peuvent être choisis pour les dépôts par fusion par laser (LBM); des diamètres de 50µm à 150µm peuvent être choisis pour les dépôts par pulvérisation de matière (FDM), par fusion par faisceau d'électrons (EBM), et par dépôt de métal par laser (LMD).
De préférence, la poudre est monodisperse. Les caractéristiques d’une poudre, dont le diamètre moyen des particules est de 30µm, sont par exemple, d50=30µm, d10=10µm et d90=50µm. La distribution en taille des particules peut être mesurée avec un granulomètre laser.
Les particules sont en un alliage comprenant un premier élément et un deuxième élément. Le pourcentage massique du premier élément et du deuxième élément représente au moins 95% et de préférence au moins 98% massique de l’alliage.
Le premier élément est l’élément majoritaire de l’alliage (aussi appelé élément de base de l’alliage). L’alliage comprend, de préférence, au moins 70% massique, et de préférence au moins 80% massique, du premier élément.
Le deuxième élément représente de préférence de 1% à 25% massique de l’alliage.
On choisit un premier élément et un deuxième élément dont les vitesses de gravure, dans une solution de gravure, sont significativement différentes de manière à graver préférentiellement, voire sélectivement, un des deux éléments de l’alliage, lors de l’étape de gravure (étape b)) et créer ainsi des particules structurées à l’échelle nanométrique par gravure chimique.
La différence entre la vitesse de gravure du premier élément de l’alliage et la vitesse de gravure du deuxième élément de l’alliage conduit à une structuration, à l’échelle nanométrique, de la surface des particules. La structuration pouvant être ordonnée ou désordonnée en fonction de l’alliage initial.
Le premier élément et le deuxième élément peuvent être choisis, indépendamment l’un de l’autre, parmi les métaux et les métalloïdes.
De préférence, le premier élément est un métal, par exemple de l’aluminium ou du fer.
De préférence, le deuxième élément est un métal ou un métalloïde, par exemple du silicium.
Selon une première variante de réalisation avantageuse, il s’agit d’un alliage aluminium-silicium. Il s’agit par exemple d’un alliage de la série 4xxx. De préférence, il s’agit d’un alliage AlSi12.
Selon une deuxième variante de réalisation avantageuse, l’alliage est un alliage fer-silicium. De préférence, il s’agit d’un alliage FeSi6.
Selon un premier mode de réalisation avantageux, les particules l’alliage comprend uniquement le premier élément et le deuxième élément de l’alliage. Il s’agit d’un alliage binaire.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, l’alliage peut comprendre un ou plusieurs éléments additionnels, en plus du premier élément et du deuxième élément. Le ou les éléments additionnels sont, de préférence, choisis parmi Fe, Cu, Mn, Mg, Zn, Cr, Ni et Ti. De préférence, l’ensemble des éléments d’addition représente moins de 5% massique de l’alliage total, et encore plus préférentiellement moins de 2% massique. Par exemple, l’alliage peut être AlSi7Mg.
De préférence, les particules sont constituées de l’alliage. Autrement dit, elles ne comportent pas d’autres éléments, que ceux présents dans l’alliage.
Lors de l’étape b), les particules sont gravées par voie humide.
La solution de gravure est une solution acide, c’est-à-dire ayant un pH strictement inférieur à 7. De préférence, le pH va de 1 à 3.
La solution est, de préférence, une solution aqueuse.
La solution acide peut comprendre un ou plusieurs des acides suivants: acide chlorhydrique, acide sulfurique, acide nitrique et acide fluorhydrique.
A titre illustratif et non limitatif, par exemple:
- pour un alliage fer-silicium, la solution de gravure peut être une solution d’acide nitrique.
- pour un alliage aluminium-silicium, la solution acide de gravure peut être, par exemple, une solution Keller, c’est-à-dire un mélange d’acide fluorhydrique (HF), d’acide chlorhydrique (HCl) et d’acide nitrique (HNO3).
- pour un alliage fer-silicium, la solution de gravure peut être une solution d’acide nitrique.
- pour un alliage aluminium-silicium, la solution acide de gravure peut être, par exemple, une solution Keller, c’est-à-dire un mélange d’acide fluorhydrique (HF), d’acide chlorhydrique (HCl) et d’acide nitrique (HNO3).
L’étape de gravure est, par exemple, réalisée pendant une durée allant de 5min à 1h et de préférence de 5 à 10 min.
Cette étape est, avantageusement, réalisée sous agitation.
L’étape de gravure peut être réalisée à une température allant de 10°C à 80°C et de préférence à une température de l’ordre de 20°C.
Les différents paramètres de l’étape de gravure, et notamment, la durée, la température et la concentration de la solution acide, seront, avantageusement, choisis de manière à ne graver que quelques pourcentages massiques du premier élément pour que les différents pourcentages des éléments restent conformes aux normes de l’alliage. De préférence, l’étape de gravure retire de X% à Y% massique du premier élément, et de préférence de 0,5 à 1,5% massique du premier élément.
Après l’étape de gravure, la poudre de particules gravées peut être rincée plusieurs fois à l’eau, dans une solution hydroalcoolique ou dans une solution alcoolique (éthanol par exemple). Chaque lavage est, avantageusement, suivi par une décantation.
La poudre de particules gravées est ensuite séparée de la solution, par exemple par filtration.
Puis, on réalise, avantageusement, une étape de recuit à une température allant de 50°C à 150°C afin d’éliminer les traces résiduelles de solvant.
Une étape ultérieure de réduction, par exemple sous atmosphère réductrice, peut permettre de retirer une couche d’oxyde qui peut avoir été éventuellement formée lors de la gravure en milieu acide.
A l’issue du procédé, la réflectivité totale des particules à 1064nm diminue d’au moins 10% et de préférence d’au moins 25%.
La poudre de particules ainsi obtenue peut servir à fabriquer une pièce en alliage métallique, par impression 3D.
Le procédé de fabrication de pièces métalliques, par impression 3D, à partir d’une poudre de particules, telles que précédemment définies, va maintenant être décrit. Le procédé met au moins en jeu une étape dans laquelle les particules sont fondues. Concrètement, un substrat est recouvert, successivement, par plusieurs couches localement fondues puis solidifiées jusqu’à obtenir la forme finale de la pièce désirée.
Selon un premier mode de réalisation, le procédé comprend les étapes successives suivantes:
a1) Fourniture d’une poudre comprenant des particules telles que définies précédemment.
b1) Formation d’une couche de particules (aussi appelée lit de poudre) sur un plateau.
c1) Fusion localisée du lit de poudre de manière à former une première zone fondue, et solidification de la première zone fondue de particules de manière à former une première zone solidifiée.
a1) Fourniture d’une poudre comprenant des particules telles que définies précédemment.
b1) Formation d’une couche de particules (aussi appelée lit de poudre) sur un plateau.
c1) Fusion localisée du lit de poudre de manière à former une première zone fondue, et solidification de la première zone fondue de particules de manière à former une première zone solidifiée.
L’étape de fusion permet de faire fondre localement les particules et de créer des motifs fondus dans le lit de poudre. Une ou plusieurs zones de particules fondues peuvent être réalisées pour former le motif désiré. Avantageusement, les particules formant le motif fondent complètement de manière à conduire, lors de la solidification, à une ou plusieurs zones solidifiées.
Les étapes b1) et c1) peuvent être répétées au moins une fois de manière à former au moins une autre zone solidifiée sur la première zone solidifiée.
Le plateau (aussi appelé substrat) sur lequel sont fabriquées les pièces peut descendre verticalement (selon un axe Z perpendiculaire au lit de poudre). Au début du procédé, la poudre est étalée sur le plateau et une première zone solidifiée est réalisée. Pour la formation du motif en 3D, on étale ensuite la poudre, à chaque fois, sur la zone solidifiée précédente.
Avantageusement, la fusion des particules est réalisée par un faisceau laser ou un faisceau d’électrons qui balaie localement la surface de chaque couche de poudre pour la faire fondre, selon un motif particulier. Après le passage du faisceau, la couche se solidifie. Une nouvelle couche de particules est, de nouveau, déposée sur la couche précédemment solidifiée, elle est ensuite, de manière identique, fondue puis solidifiée. Le procédé se répète jusqu’à obtenir la forme finale de la pièce. Les poudres non solidifiées sont ensuite évacuées et la pièce finale est détachée du substrat.
Les techniques utilisées peuvent être la fusion par faisceau d'électrons (EBM), ou par fusion par laser (LBM). De préférence la fusion par laser est utilisée. Les machines liées au procédé LBM comprennent généralement un système d’alimentation en poudre («powder delivery system»), un dispositif d’étalement et d’homogénéisation de la surface de la poudre («Roller» ou «Blade»), une source laser infrarouge (par exemple à une longueur d’onde de 1064nm environ), un scanner pour diriger le faisceau, une zone de fabrication. L’ensemble est confiné dans une enceinte thermiquement isolante, pour contrôler l’atmosphère, mais aussi pour éviter la dissémination des poudres.
Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend les étapes successives suivantes:
a2) Fourniture d’une poudre comprenant des particules telles que définies précédemment.
b2) Projection de la poudre sur un plateau, la poudre passant à travers un faisceau laser avant d’atteindre le plateau, de manière à la faire fondre.
c2) Solidification de la poudre fondue sur le plateau de manière à créer une première zone solidifiée.
a2) Fourniture d’une poudre comprenant des particules telles que définies précédemment.
b2) Projection de la poudre sur un plateau, la poudre passant à travers un faisceau laser avant d’atteindre le plateau, de manière à la faire fondre.
c2) Solidification de la poudre fondue sur le plateau de manière à créer une première zone solidifiée.
De préférence, les étapes b2) et c2) sont répétées au moins une fois de manière à former au moins une autre zone solidifiée sur la première zone solidifiée.
Lorsque la poudre est projetée, par exemple via une buse, en direction du substrat, elle passe à travers un faisceau laser qui la fait fondre. Elle continue ensuite son chemin sous forme fondue jusqu’à atteindre le plateau. La poudre est projetée localement sur le plateau de manière à former le motif désiré.
Cette technique est une technique d’impression 3D par pulvérisation de matière (ou FDM pour «Fused Deposition Modeling»).
La pièce obtenue, selon l’un des procédés, peut être soumise à une étape de recuit (traitement thermique) pour réduire les contraintes internes et uniformiser les propriétés du matériau.
Le rendement thermique de conversion d’un procédé mettant en œuvre des particules telles que décrites précédemment est amélioré. Il n’est pas nécessaire d'avoir une forte puissance de laser et/ou de nombreux faisceaux pour pouvoir générer un bain de fusion. Les coûts d’élaboration sont réduits et le rendement du procédé est amélioré. On observe également une baisse des défauts matière (notamment le phénomène de sphéroïdisation et de projection d’une partie de la poudre fondue sous l’effet des tensions superficielles observées quand la puissance laser est trop importante, ce phénomène est aussi appelé «balling»).
Le procédé peut être utilisé pour fabriquer des pièces en alliages du type Al 2xxx, Al 6xxx ou Al 7xxx.
Le procédé pourrait également être utilisé pour réaliser des pièces en alliages ferreux, en alliages à base de titane, à base de cobalt-chrome, ou encore à base de nickel...
Un tel procédé répond aux besoins industriels en augmentant les rendements, la qualité des pièces et le nombre d’alliages disponibles.
Exemples illustratifs et non limitatifs d’un mode de réalisation
:
Dans les exemples suivants, les particules de la poudre sont en un alliage d’aluminium AlSi12 (série 4xxx) ou de fer FeSi6. Les poudres initiales (i.e. avant gravure chimique) présentent les caractéristiques répertoriées dans le tableau suivant:
[Table 1]
[Table 1]
L’attaque chimique est réalisée en versant un volume de 20cm3de poudre dans une solution acide.
Pour l’alliage d’aluminium, la solution acide est une solution Keller comprenant 20mL de HF (10%), 10mL de HNO3(69%), 6mL de HCl (37%) et de l’eau.
Pour l’alliage de fer, la solution acide est une solution d’acide nitrique.
Le mélange obtenu est agité durant 10 min puis laissé décanter durant 10 min supplémentaires. Le mélange est ensuite dilué à l’eau (trois fois avec 10 min de décantation entre chaque dilution) puis à l’éthanol (une seule fois avec 1 nuit de décantation).
Le volume de poudre récupéré est de 12cm3, dû à l’agitation et à la petite taille des particules de poudre. Ce volume est ensuite étuvé à 100°C pendant 1 h pour éliminer les traces de solvant résiduel.
Après attaque chimique, la poudre est caractérisée par des analyses spectrophotométriques et chimiques ainsi que par observations microscopiques.
Les observations microscopiques de la poudre d’AlSi12 montrent que la surface des particules avant traitement acide (Figures 2A et 2B) est relativement lisse avec la présence de stries, apparaissant en clair, caractéristiques d’un élément léger, le silicium. Les zones inter-stries de contraste plus sombre sont relatives à un élément plus lourd, ici l’aluminium. Après traitement la surface de l’ensemble des particules observées présente une structuration d’échelle nanométrique (Figures 2C et 2D). Cette structuration en relief, en forme de corail, apparaissant avec un contraste clair, correspond au silicium. Sous l’effet de la solution acide, l’aluminium est dissout dans la phase liquide, laissant ressortir la structure striée du silicium. La distance entre chaque strie semble être de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres. Des analyses EDX ont confirmé la gravure préférentielle de l’aluminium (figures 3A et 3B).
Concernant la poudre de FeSi6, les observations microscopiques, avant attaque acide, montrent que la surface des particules est relativement lisse (figures 4A et 4B). Les agrandissements montrent bien les différents grains séparés par des joints de grains nets.
La surface des particules après traitement acide est craquelée suivant les joints de grains (figures 4C et 4D). Certaines particules semblent perdre des grains entiers suivant une épaisseur de l’ordre de la centaine de nanomètres, révélant les grains présents plus en profondeur. Ces derniers apparaissent aussi lisses que les particules non-attaquées. Sur la surface craquelée, une structure nanométrique en forme de papier froissé est visible.
La surface spécifique de la poudre AlSi12 après traitement acide a été déterminée et vaut 1,73 m2.g-1, soit une augmentation de 518 % par rapport à la poudre avant traitement acide (Figure 5). La surface spécifique de la poudre FeSi6 après traitement acide vaut 5,66 m2.g-1, ce qui correspond à une augmentation de 27157 % par rapport à la poudre avant traitement acide.
Les isothermes obtenues suivant la méthode BET montrent une évolution type en trois segments: AB, BC et CD (courbes expérimentales données sur la figure 6A pour AlSi12 et sur la figure 6B pour FeSi6; la courbe théorique est représentée sur la figure 7). Le segment AB correspond à l’absorption rapide du gaz dans des micropores (< 2 nm). Le segment BC correspond à une adsorption plus lente sur les couches déjà absorbées. Et le segment CD représente le phénomène de condensation capillaire dans les mésopores (2 à 50 nm). Les poudres AlSi12 et FeSi6 traitées présentent une nanoporosité bien plus élevée que les poudres non-traitées, ce qui confirme les observations microscopiques.
Les analyses spectrophotométriques des poudres après traitement acide (figure 8) montrent que, à la longueur d’onde de 1064 nm, la réflectivité de la poudre est de:
- 12,8 % pour AlSi12 soit une diminution de la réflectivité de 49 % par rapport à la poudre non-traitée,
- de 10,8% pour FeSi6 soit une diminution de 46% par rapport à la poudre non-traitée. Cette diminution est due à la nanostructuration, chaque interstice faisant office de «piège à photons». De telles poudres absorberont donc mieux le faisceau laser lors d’impression 3D.
- 12,8 % pour AlSi12 soit une diminution de la réflectivité de 49 % par rapport à la poudre non-traitée,
- de 10,8% pour FeSi6 soit une diminution de 46% par rapport à la poudre non-traitée. Cette diminution est due à la nanostructuration, chaque interstice faisant office de «piège à photons». De telles poudres absorberont donc mieux le faisceau laser lors d’impression 3D.
La composition chimique de la poudre AlSi12 avant et après attaque chimique acide est donnée dans le tableau suivant:
[Table 2]
La comparaison des compositions chimiques avant et après nanostructuration en voie liquide montre que l’aluminium a été attaqué préférentiellement. Remarquablement, même après gravure chimique, la composition de la poudre suit toujours la norme DIN EN 14242. Cette poudre nanostructurée peut par conséquent être utilisée en fabrication additive métallique, spécialement en procédés faisant intervenir un laser fonctionnant à une longueur d’onde de 1064 nm comme le procédé LBM, pour l’impression de pièces en alliage in situ.
[Table 2]
La comparaison des compositions chimiques avant et après nanostructuration en voie liquide montre que l’aluminium a été attaqué préférentiellement. Remarquablement, même après gravure chimique, la composition de la poudre suit toujours la norme DIN EN 14242. Cette poudre nanostructurée peut par conséquent être utilisée en fabrication additive métallique, spécialement en procédés faisant intervenir un laser fonctionnant à une longueur d’onde de 1064 nm comme le procédé LBM, pour l’impression de pièces en alliage in situ.
La composition chimique de la poudre FeSi6 avant et après attaque chimique acide est donnée dans le tableau suivant:
[Table 3]
Concernant la poudre d’alliage de fer FeSi6, La comparaison des compositions chimiques avant et après nanostructuration en voie liquide montre que le fer a été attaqué préférentiellement.
[Table 3]
Concernant la poudre d’alliage de fer FeSi6, La comparaison des compositions chimiques avant et après nanostructuration en voie liquide montre que le fer a été attaqué préférentiellement.
Aucune norme n’est répertoriée pour cet alliage.
Il est à observer que le taux d’oxygène augmente de 150 %. Un traitement thermique de la poudre sous atmosphère réductrice peut permettre de réduire ce taux. La poudre traitée peut être utilisée dans un procédé LBM.
Claims (12)
- Procédé pour diminuer la réflectivité de particules, en vue de leur utilisation dans un procédé de fabrication additive, comprenant les étapes suivantes:
- fourniture de particules en un alliage, l’alliage comprenant un premier élément et un deuxième élément, la somme du pourcentage massique du premier élément et du pourcentage massique du deuxième élément représentant au moins 95% massique de l’alliage,
- mise en contact des particules avec une solution acide, la vitesse de gravure du premier élément dans la solution acide étant supérieure à la vitesse de gravure du deuxième élément dans la solution acide, moyennant quoi on grave le premier élément et on structure à l’échelle nanométrique la surface des particules,
la réflectivité totale à 1064nm des particules gravées étant inférieure à 15%. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément est l’aluminium.
- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le deuxième élément est le silicium, l’alliage étant par exemple AlSi12.
- Procédé selon l’une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la solution acide comprend un mélange d’acide fluorhydrique, d’acide nitrique et d’acide chlorhydrique.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément est le fer.
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le deuxième élément est le silicium, l’alliage étant, par exemple, FeSi6.
- Procédé selon l’une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la solution acide est une solution d’acide nitrique.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules ont un diamètre allant de 1µm à 200µm.
- Particules nanostructurées en un alliage, obtenues par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, l’alliage comprenant un premier élément et un deuxième élément, la somme du pourcentage massique du premier élément et du pourcentage massique du deuxième élément représentant au moins 95% massique de l’alliage, la surface des particules étant structurées à l’échelle nanométrique, les particules ayant une réflectivité totale inférieure à 15% à 1064nm.
- Procédé de fabrication additive comportant une étape au cours de laquelle des particules, obtenues par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, sont fondues, les particules étant en un alliage, l’alliage comprenant un premier élément et un deuxième élément, la somme du pourcentage massique du premier élément et du pourcentage massique du deuxième élément représentant au moins 95% massique de l’alliage, la surface des particules étant structurées à l’échelle nanométrique, les particules ayant une réflectivité totale inférieure à 15% à 1064nm.
- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le premier élément est l’aluminium, le deuxième élément étant, de préférence, du silicium.
- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le premier élément est le fer, le deuxième élément étant, de préférence, du silicium.
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| CN109746435A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-05-14 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种表面改性的高激光反射率金属粉体及3d打印方法 |
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