FR3113851A1

FR3113851A1 - Procede de fabrication d’une piece metallique par fusion selective en lit de poudre

Info

Publication number: FR3113851A1
Application number: FR2009013A
Authority: FR
Inventors: David Grange
Original assignee: Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels; Safran SA
Current assignee: Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels; Safran SA
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2040-09-04
Also published as: WO2022049353A1; FR3113851B1

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique par fusion sélective sur lit de poudre, le procédé comprenant les étapes suivantes : - dépôt d'au moins une couche de poudre d'un métal ou d'un alliage métallique destiné à constituer la pièce ; - fusion par balayage du faisceau énergétique (BF) d’au moins une région de la couche de poudre, de telle sorte que la densité d’énergie du faisceau permet de chauffer localement la poudre à une température supérieure à une température de fusion de ladite poudre ; - traitement de relaxation par balayage du faisceau énergétique (BR) de la surface de la pièce (10) à fabriquer, de telle sorte que la densité d’énergie du faisceau permet de chauffer uniformément à partir de ladite surface une couche à relaxer (14) à une température inférieure à la température de fusion. Figure pour l’abrégé : Fig. 2A

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE METALLIQUE PAR FUSION SELECTIVE EN LIT DE POUDRE

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièces tridimensionnelles par un procédé du type fabrication additive, et plus précisément aux procédés de fusion sélective sur lit de poudre. L'invention s'applique particulièrement, mais non exclusivement, à la fabrication de pièces pour l'aéronautique, particulièrement des pièces pouvant être utilisées dans un turboréacteur propulsant un aéronef.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Il est aujourd'hui courant d'avoir recours à des techniques de fabrication additive pour réaliser facilement et rapidement des pièces tridimensionnelles complexes. Ces techniques de fabrication présentent de nombreux avantages par rapport aux procédés traditionnels de fonderie ou d'usinage dans la masse.

Parmi les techniques de fabrication additive, on peut citer par exemple la fusion laser sélective sur lit de poudres métalliques (Laser Beam Melting, LBM ou Selective Laser Melting, SLM). Ce procédé de fabrication additive permet la construction de pièces complexes couche par couche avec des gains de masse conséquents et une réduction importante des temps de développement des pièces, grâce à une grande liberté de conception et l’absence d’outillage spécifique.

Cependant, ce procédé induit des contraintes résiduelles élevées dans les pièces produites. Les contraintes mécaniques proviennent du champ de température inhomogène engendré par le balayage du faisceau laser. Ce balayage provoque un chauffage important du matériau et donc une dilatation thermique locale. Le cycle de chauffage et refroidissement inhomogène du matériau provoque des contraintes résiduelles élevées. En effet, lors d’un balayage bidirectionnel, le faisceau laser fait des aller retours dans les deux directions avec une vitesse de balayage . Ce balayage engendre une vague de chaleur qui se propage dans la pièce perpendiculairement à la direction de balayage. Ce champ de température est fortement inhomogène et donc générateur de contraintes résiduelles.

Les contraintes résiduelles sont habituellement relaxées lors d’un traitement thermique postérieur à la fabrication. Cependant, la relaxation des contraintes résiduelles lors d’un traitement thermique postérieur à la fabrication n’est pas toujours optimale ni possible :

- Lors de la fabrication, les contraintes résiduelles s’accumulent de manière excessive dans la pièce. Elles peuvent atteindre des niveaux très élevés en fin de fabrication. Une relaxation postérieure à la fabrication peut induire des déformations importantes des pièces.

- Parfois, le niveau de contrainte accumulé au cours de la fabrication provoque une fissuration du matériau lors de la fabrication à l’état solide. Une telle fissuration à l’état solide est appelée fissuration à froid quand la température de fissuration est bien inférieure à la température de fusion du matériau. Ceci est le cas par exemple pour les matériaux métalliques à base d’aluminium, de titane… Dans les alliages de nickel et les aciers, la fissuration à l’état solide est parfois appelée « fissuration par chute de ductilité » (Ductility Dip Cracking ou DDC) quand elle a lieu à une température intermédiaire, typiquement comprise entre 0.4Ts et 0.7Tf, où Tf est la température de fusion.

- La fissuration peut aussi apparaitre lors de la solidification du matériau, lors d’une coexistence de la phase liquide et de la phase liquide. On peut alors de fissuration à la solidification. Différents types d’alliages peuvent être concernés : alliages de nickel, d’aluminium, aciers…

- La fissuration peut aussi apparaître lors du traitement thermique après la fabrication. Les superalliages chargés en précipités , sont particulièrement sensibles à la fissuration lors du traitement thermique, aussi appelée fissuration de revenu (Strain age cracking en anglais). Cette fissuration intervient quand les contraintes résiduelles induites par le soudage et les contraintes résultant de la croissance des précipités sont excessives. Pour les superalliages chargés en précipités , une méthode de prévention des fissures consiste à chauffer rapidement la pièce dans le domaine de température dans lequel les précipités apparaissent. De manière pratique, la vitesse de chauffage est limitée par l’inertie du four de traitement thermique et peut difficilement dépasser 30°C/min. Pour les superalliages chargés en précipités , la cinétique de précipitation est trop rapide pour éviter la fissuration par cette méthode.

Il existe donc un besoin d’améliorer les solutions existantes.

Un but de l’invention est de proposer une solution pour relaxer les contraintes résiduelles au cours de la fabrication, par un chauffage homogène de la couche de fabrication qui vient d’être consolidée.

Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un procédé de fabrication d'une pièce métallique par fusion sélective sur lit de poudre, la pièce comprenant un empilement solidaire de couches de poudre fusionnée par un faisceau énergétique de laser, le procédé comprenant les étapes suivantes :

- dépôt d'au moins une couche de poudre d'un métal ou d'un alliage métallique destiné à constituer la pièce ;

- fusion par balayage du faisceau énergétique d’au moins une région de la couche de poudre, les conditions de l'étape de fusion étant définies par un premier groupe de paramètres contrôlant la densité d’énergie du faisceau et comportant : la puissance du faisceau, le diamètre du faisceau, et la vitesse de déplacement du faisceau, lesdits paramètres étant définies de telle sorte que la densité d’énergie du faisceau permet de chauffer localement la poudre à une température supérieure à une température de fusion de ladite poudre ;

- traitement de relaxation par balayage du faisceau énergétique de la surface de la pièce à fabriquer, les conditions de l'étape de traitement de relaxation étant définies par un second groupe de paramètres contrôlant la densité d’énergie du faisceau et comportant : la puissance du faisceau, le diamètre du faisceau, et la vitesse de déplacement du faisceau, lesdits paramètres étant définies de telle sorte que la densité d’énergie du faisceau permet de chauffer uniformément à partir de ladite surface une couche à relaxer à une température inférieure à la température de fusion.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l’une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :

- le diamètre du faisceau du premier groupe est d’une valeur inférieure au diamètre du faisceau du second groupe, et la vitesse de déplacement du faisceau du premier groupe est d’une valeur inférieure à la vitesse de déplacement du faisceau du second groupe ;

- dans l’étape de traitement de relaxation, le faisceau énergétique est émis pendant un temps d’émission prédéterminé, ledit temps d’émission du faisceau étant fonction de l’épaisseur de la couche à relaxer ;

- dans l’étape de fusion, il est procédé à un balayage unique de la surface de la pièce, et dans lequel dans l’étape de traitement de relaxation, il est procédé à une pluralité de balayages en continu de la surface de la pièce pendant le temps d’émission prédéterminé ;

- l’étape de traitement de relaxation succède à l’étape de fusion, la couche à relaxer correspondant sensiblement à la dernière couche de poudre fusionnée, et dans lequel les étapes de dépôt, fusion, et de traitement de relaxation sont répétées jusqu’à l’obtention de la pièce ;

- l’étape de traitement de relaxation est réalisée avant ou pendant l’étape de fusion, la couche à relaxer correspondant sensiblement à la couche de poudre déposée ;

- la couche à relaxer correspondant sensiblement à l’ensemble des couches fusionnées ;

- la puissance du faisceau du second groupe est sensiblement supérieure ou égale à 300 W, le diamètre du faisceau du second groupe est sensiblement supérieur ou égal à 500 µm, la vitesse de déplacement du faisceau du second groupe est sensiblement supérieure ou égale à 7000 mm/s ;

- une vitesse de chauffage de la couche à relaxer, déterminée en fonction du temps d’émission et de la puissance du faisceau, est comprise entre environ 1000°C/min et environ 2000°C/min ;

- l’étape de traitement de relaxation comporte une stratégie de balayage du faisceau comportant une pluralité de cycle de balayage, un cycle de balayage comportant le balayage du faisceau selon une pluralité de lignes successives de trajectoire du faisceau, deux lignes successives étant séparées par un écart vecteur prédéterminé, et dans lequel a chaque cycle de balayage, les trajectoires du laser sont décalées d’une fraction de l’écart vecteur ; et

- la fraction de l’écart vecteur est égale à 0,25.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 illustre une pièce métallique obtenue selon le procédé de fabrication de l’invention,

- la figure 2A illustre le procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention,

- la figure 2B illustre le procédé de fabrication selon un autre mode de réalisation de l’invention,

- la figure 2C illustre le procédé de fabrication selon un autre mode de réalisation de l’invention,

- la figure 3 est une courbe illustrant le choix de paramètres du procédé selon l’invention en fonction de la température de chauffage désirée et de l’étendue de la zone à chauffer,

- la figure 4 illustre les domaines de paramètres du procédé selon l’invention pour éviter la fusion de la matière de la pièce à fabriquer,

- la figure 5 illustre le procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention,

- la figure 6A illustre une étape de balayage du procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention,

- la figure 6B illustre une étape de balayage du procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l’invention,

- la figure 7 illustre une mesure d’une fraction de fissure apparue lors d’un traitement thermique selon l’art antérieur et une microphotographie associée, en comparaison de mesures d’une fraction de fissure apparue lors de traitements thermiques selon l’invention et des microphotographies associées,

- la figure 8A illustre un premier profil de contraintes résiduelles lors de traitements thermiques selon l’invention,

- la figure 8B illustre un second profil de contraintes résiduelles lors de traitements thermiques selon l’invention.

Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.

DEFINITIONS

On désigne par le terme « superalliage » un alliage présentant, à haute température et à haute pression, une très bonne résistance à l'oxydation, à la corrosion, au fluage et à des contraintes cycliques (notamment mécaniques ou thermiques).

Un superalliage peut présenter une microstructure biphasique comprenant une première phase (appelée « phase γ ») formant une matrice, et une deuxième phase (appelée « phase γ’ ») formant des précipités durcissant dans la matrice. La coexistence de ces deux phases est désignée par structure γ-γ’.

La « base » du superalliage désigne le composant métallique principal de la matrice. Dans la majorité des cas, les superalliages comprennent une base cobalt, ou nickel. La base du superalliage est préférentiellement une base nickel.

Les « superalliages base nickel » présentent l’avantage d’offrir un bon compromis entre résistance à l’oxydation, résistance à la rupture à haute température et poids, ce qui justifie leur emploi dans les parties les plus chaudes des turboréacteurs.

Les superalliages base nickel sont constitués d’une phase γ (ou matrice) de type austénitique cubique à face centrée γ-Ni, contenant éventuellement des additifs en solution solide de substitution α (Co, Cr, W, Mo, Re), et d’une phase γ’ (ou précipités) de type γ’-Ni₃X, avec X un mélange des éléments Al, Ti Ta ou Nb.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Un procédé selon l'invention va maintenant être décrit dans son application à la fabrication d'une pièce 10 (illustrée en figure 1), telle qu’une éprouvette cubique, avec un profil en forme de pièce à linge. La pièce 10 présente une zone à concentrations de contraintes 11. La pièce 10 est réalisée à partir d'un empilement vertical de couches 13 solidaires les unes des autres. Chaque couche est fabriquée, de façon connue en soi, à partir d'une couche de poudre déposée qui est ensuite fusionnée par un faisceau énergétique du type laser.

La poudre peut comprendre un métal, un alliage métallique.

Le procédé comporte dans une étape BF, un balayage standard, dit de fusion, par le faisceau laser d’au moins une région de la couche de poudre 12 déposée dans une étape préalable, de telle sorte à chauffer ladite région à une température supérieure à la température de fusion TF de la poudre pour obtenir une couche fusionnée 13 après solidification. Dans la présente demande, la température de fusion TF de la poudre est une température comprise entre la température de liquidus et la température de solidus pour la composition donnée de la poudre. Un groupe de paramètres est fixé pour le faisceau énergétique lorsqu'il parcourt les parties de la couche de poudre à fusionner. Ce groupe de paramètre comprend notamment : le diamètre du faisceau, la vitesse de déplacement du faisceau, la puissance du faisceau, l’écart vecteur et l’épaisseur de la couche de fabrication. Typiquement, un diamètre de faisceau laser de l’ordre de 100µm est utilisé, pour que la densité de puissance soit suffisante pour fondre la poudre. Des paramètres typiques de balayage de fusion sont pour la vitesse de balayage, d’environ 960mm/s, pour la puissance du faisceau d’environ 230W, et un écart vecteur (correspondant à la distance entre deux traits lasers successifs) d’environ 100µm et d’une épaisseur de couche d’environ 40µm.

Dans une autre étape BR, la couche fusionnée 13 ou une nouvelle couche de poudre déposée est soumise à un deuxième type de balayage, dit de balayage de relaxation ou balayage de chauffage, par opposition au balayage de fusion BF. Un second groupe de paramètres est fixé pour le faisceau énergétique lorsqu'il parcourt les parties de la couche de poudre à fusionner. Ce second groupe de paramètres comprend notamment : le diamètre du faisceau, la vitesse de déplacement du faisceau, et la puissance du faisceau.

Dans cette étape de balayage de relaxation BR, le parcours du faisceau laser chauffe uniformément la couche à relaxer 14. Pour cela, la surface de ladite couche 14 est balayée très rapidement, à de multiples reprises en continu pendant un temps suffisant de sorte que l’apport de chaleur soit équivalent à un chauffage homogène de la couche de fabrication, la source de chaleur étant équivalente à un flux de chaleur réparti sur la surface supérieure de l’éprouvette. La diffusion de la chaleur étant liée à la diffusivité thermique du matériau D (en m²/s). Lors d’un temps t, la chaleur diffuse d’une distance caractéristique L, tel que D=L²/t. Par exemple pour un matériau tel que l’inconel 738, la diffusivité thermique dudit matériau est de 2.5 10^-6m²/s. Avec L, la distance caractéristique de diffusion, égale à l’écart vecteur, par exemple égal à 1mm, la diffusivité thermique du matériau, on obtient t égale à 0.4 secondes : cela signifie que le chauffage (sur la surface) induit par le balayage est homogène au sein de la couche pour un temps de chauffage de plusieurs secondes, par exemple supérieur à 10 secondes.

L’étape de relaxation BR nécessite le choix de paramètres permettant de chauffer la pièce à l’état solide sans fondre la matière.

Pour un faisceau gaussien, la densité I(r) (en W/m²) de puissance (ou intensité) du faisceau est donné par :

Où est la puissance du faisceau et est le rayon du faisceau laser, avec le diamètre du faisceau. Comme précisé par la formule ci-dessus, le rayon du faisceau laser gaussien est défini comme la distance du centre à laquelle l’intensité vaut 1/e² fois l’intensité au centre du faisceau : .

Pour un faisceau non gaussien, dont la densité de puissance présente une symétrie circulaire (ex : faisceau laser dit « top hat »), le diamètre du faisceau est défini comme la largeur du second moment :

avec le centroïd dans la direction x :

Du fait de la symétrie circulaire, la direction x peut être choisie quelconque. Cette définition correspond à la définition précédente, si le faisceau laser est gaussien.

Pour un faisceau non gaussien, dont la densité de puissance ne présente pas de symétrie circulaire (ex : faisceau elliptique), nous entendons par diamètre , la valeur maximale du moment , mesuré dans les différentes directions possibles, comprises dans le plan perpendiculaire à l’axe de propagation.

Pour un balayage à une vitesse , la densité d’énergie incidente est maximale au centre du faisceau laser. Pour ne pas fondre la matière, l’énergie incidente Emax(r) (en J/m²) au centre du faisceau ne dépasse pas une certaine valeur K pour éviter la fusion. Dans le cas d’un faisceau laser gaussien :

La densité d’énergie incidente maximale peut être reliée à la quantité VED (volume energy density) couramment utilisée :

Pour chauffer la couche à relaxer 14 sans fondre la matière, on utilise une vitesse de balayage et un diamètre de faisceau les plus élevés possible. A ce titre, le diamètre de faisceau , tel que défini plus haut, est supérieur à 100µm, préférentiellement supérieur à 300µm, et peut aller jusqu’à 500µm. La puissance est ensuite ajustée. Précisons que la valeur de K est plus faible si on chauffe le lit de poudre que si l’on chauffe le matériau massif, car la poudre accumule plus de chaleur en raison de sa conductivité thermique plus faible.

Un diamètre de faisceau maximal permet d’une part d’augmenter la puissance du laser sans fondre la matière de la couche à relaxer 14, d’autre part d’augmenter l’écart vecteur afin de balayer la surface de la couche à relaxer 14, plus rapidement. Une vitesse de balayage maximale est d’environ 7000mm/s. La puissance du laser est préférentiellement comprise entre 100W et 800W.

En fonction de la puissance utilisée et du temps de chauffage, il est possible de chauffer une épaisseur L de la couche à relaxer 14 plus ou moins profonde. Cela permet de proposer différentes variantes de l’invention.

Selon un mode de réalisation avantageux illustré enfigure 2A, l’épaisseur de la couche à relaxer 14 correspond à l’épaisseur de la dernière couche fusionnée 13. Le balayage de relaxation BR est donc réalisé sur chaque couche fusionnée 13. Ainsi chaque étape de balayage de fusion BF d’une couche de poudre 12 déposée dans une étape préalable, est suivie par une étape de balayage de relaxation BR. Chaque couche fusionnée 13 est chauffée uniformément après sa consolidation. Cette variante permet de limiter l’accumulation des contraintes résiduelles, apparues lors du refroidissement des couches inférieures, par une relaxation au fur et à mesure.

Selon un mode de réalisation avantageux illustré enfigure 2B, le balayage de relaxation est réalisé successivement à un balayage de fusion. La couche à relaxer 14 correspond à une zone spécifique de la pièce, sur une épaisseur de couche fusionnée 13 dans laquelle les contraintes mécaniques sont particulièrement élevées.

Selon un mode de réalisation avantageuxillustré en figure 2C, le balayage de relaxation est réalisé en fin de fabrication pour chauffer l’ensemble de la pièce, l’épaisseur de la couche à relaxer 14 correspond donc à l’épaisseur de la pièce fabriquée.

Selon un mode de réalisation avantageux, l’étape de balayage de relaxation BR est réalisée simultanément ou avant le balayage de fusion BF. La couche à relaxer 14 correspond à une couche de poudre à fusionner. Un tel mode permet de limiter le gradient thermique lors de la solidification et donc de diminuer les contraintes mécaniques au moment de la solidification. Cette variante est utile pour diminuer la fissuration de certains matériaux lors de la solidification, comme superalliage à base nickel par exemple de type Inconel 738.

Dans le cas où l’étape de balayage de relaxation BR est réalisée simultanément avec le balayage de fusion BF, il peut être utilisé une machine de fabrication additive comportant au moins deux sources de faisceau laser, une première source de faisceau pouvant être employée pour le balayage de relaxation BR, et une seconde source pouvant être employée pour le balayage de fusion BF.

Selon un mode de réalisation avantageux, l’étape de balayage de relaxation BR peut être est réalisée en fin de fabrication après dépoudrage de la pièce fabriquée. Le chauffage après dépoudrage offre l’avantage de pouvoir visualiser le chauffage de la pièce, à l’œil nu.

Avantageusement, l’étape de balayage de relaxation BR peut être est réalisée à l’aide d’une caméra thermique infrarouge pour contrôler la température lors du traitement de relaxation. Lorsque la température mesurée à la surface de la pièce atteint la température désirée, le balayage de relaxation BR est arrêté.

Également, l’étape de balayage de relaxation BR peut utiliser un outil de simulation numérique pour déterminer les conditions optimales d’un traitement de relaxation in situ. Grâce à une simulation thermomécanique de la fabrication, les zones de la pièce qui subiront le plus haut niveau de contraintes sont identifiées. Un second calcul thermique est réalisé, afin de déterminer les conditions de chauffage permettant de relaxer les contraintes dans ces zones.

Variation de la puissance de chauffage

Selon un mode de réalisation avantageux, durant l’étape de balayage de relaxation BR, la puissance de chauffage peut être adaptée au cours du temps, de manière à mieux contrôler la température de chauffage, le temps de chauffage et la vitesse de refroidissement. La puissance dépend du matériau, de la température visée et de la géométrie de la pièce. La puissance maximale est donnée par les capacités de la machine utilisée. Dans le cas où la machine utilisée comporte plusieurs sources de faisceau laser, la même source peut être attribuée à l’étape de fusion BF ou de relaxation BR, ou plusieurs sources peuvent être attribuées à l’étape de relaxation BR au moment du chauffage (par exemple pour atteindre une puissance maximale de 800W avec deux sources à 400W).

A titre illustratif, lafigure 5représente un mode de réalisation dans lequel une première valeur de puissance de chauffage pendant une première période (S1). Par exemple un chauffage de 800W a été appliqué pendant 30s. Cette première phase est suivie d’une phase de maintien de la température atteinte en diminuant la puissance pendant une seconde période (S2). Par exemple une puissance de chauffage à 500W est appliquée pendant 15s. Cette seconde phase est suivie d’une phase de refroidissement contrôlé (S3). Par exemple une puissance de chauffage à 150W est appliquée pendant 15s. Le maintien en température permet d’augmenter la relaxation des contraintes résiduelles, tandis que le refroidissement contrôlé permet de limiter la formation de nouvelles contraintes résiduelles par un refroidissement non homogène.

Choix des paramètres de chauffage

En référence auxfigures 3 et 4, le choix des paramètres dépend de la température de chauffage souhaitée ainsi que de l’épaisseur de la couche à relaxer 14. Pour un chauffage à une puissance pendant un temps , la profondeur L caractéristique de l’épaisseur de la couche à relaxer 14 dépend de la diffusivité : D=L²/ . Un bilan d’énergie relie l’énergie apportée par le chauffage et la température moyenne de la zone chauffée : , où m est la masse de la zone chauffée, la capacité calorifique massique et la différence de température. Il convient d’ajouter à ce bilan les pertes d’énergie par radiation, par convection du gaz neutre et par diffusion vers le plateau de fabrication.

Comme illustré en figure 3, il en résulte, que pour une même puissance de chauffage P_L, un temps de chauffage court (par exemple inférieur ou égal à environ 30s, préférentiellement inférieur ou égal à environ 10s) est adapté au chauffage par couche et qu’un temps de chauffage long est adapté au chauffage global (par exemple supérieur à environ 30s, préférentiellement supérieur ou égal à environ 90s). La figure 4 illustre les domaines de paramètres (temps de chauffage et densité d’énergie) proscrits pour éviter la fusion de la matière. Plus le temps de chauffage est long (et donc le nombre de balayages du faisceau laser), plus la fusion intervient pour une densité maximale d’énergie faible. Ainsi, le domaine D1 correspond à un domaine de paramètres convenant pour le balayage de relaxation pour une couche de poudre jusqu’à l’ensemble de la pièce. Le domaine D2 correspond à un domaine de paramètres convenant pour le balayage de relaxation pour l’ensemble de la pièce, mais qui ne convient pas pour le chauffage d’une couche ou d’une épaisseur faible, ce domaine de paramètres risquant de provoquer le frittage des couches fusionnées. Le domaine D2 correspond à un domaine de paramètres à proscrire, ceux-ci menant à la fusion du matériau de la pièce.

Cycle de balayage

En référence auxfigures 6A et 6B, il est illustré un cycle de balayage avec un écart vecteur e_vsensiblement égal à environ 1 mm. Le faisceau du laser se déplace selon une stratégie de balayage. A chaque couche, le trajet complet du laser est divisé en segments parallèles, appelés vecteurs. Le sens de ces vecteurs (T1 et T2) peut être identique et dans ce cas le balayage est dit unidirectionnelle. Une fois le vecteur parcouru, le faisceau s’interrompt et le laser est repositionné au départ du prochain vecteur. Si le sens de ces vecteurs est alterné, le laser va parcourir un trajet dit bidirectionnelle.

Avantageusement, pour améliorer la répartition de la chaleur et éviter de fondre certaines zones par un passage trop fréquent du faisceau laser au même endroit, l’étape de balayage de relaxation BR peut comporter une stratégie de balayage du faisceau comportant une pluralité de cycles ou itérations de balayage, un cycle de balayage comportant le balayage du faisceau selon une pluralité de lignes successives de trajectoire du faisceau, deux lignes successives étant séparées par une distance ou écart vecteur prédéterminé(e), préférentiellement l’écart vecteur est sensiblement égal à environ 1 mm. Un écart vecteur de 1 mm est en dehors des bornes couramment utilisée pour un balayage par fusion, l’utilisation d’un tel écart vecteur élevé permet qu’une itération du balayage par relaxation soit la plus rapide possible.

Comme illustré aux figures 6A et 6B, à chaque cycle de balayage, les trajectoires du laser sont décalées d’une fraction de l’écart vecteur, par exemple la fraction de l’écart vecteur est égale à 0,25. Ainsi, à chaque balayage, les trajectoires du laser sont légèrement décalées, de manière cyclique (0, 0.5ev, 0.25ev, 0.75ev).

L’invention permet par le choix du couple puissance/temps de chauffage d’élever la température de la couche à relaxer à environ 1000°C, par exemple atteinte en environ 30s. Lors de cette étape de balayage de relaxation, la vitesse de chauffage est de l’ordre de 1000 à 2000°C/min, soit plus de 30 à 60 fois la vitesse de chauffage maximale dans un four de traitement thermique (30°C/ min). Cette vitesse de chauffage est très faible par rapport à la vitesse de chauffage provoqué par le faisceau de fusion (10⁷°C/ min), mais très élevée devant la vitesse de chauffage lors du traitement thermique (10¹°C/ min). Cette vitesse de chauffage d’un ordre de grandeur intermédiaire, entre la fusion et le traitement thermique est particulièrement intéressante pour relaxer les contraintes résiduelles élevées tout en évitant la précipitation de la phase . En outre, le gradient thermique au sein du matériau est d’autant plus élevé que la vitesse de chauffage est faible. Un chauffage avec une vitesse d’un ordre de grandeur intermédiaire permet ainsi d’avoir un gradient thermique bien plus faible que lors de l’étape de fusion, tout en évitant la précipitation de la phase , inévitable lors d’un chauffage lent.

Lafigure 7illustre pour un superalliage, comme un superalliage à base nickel par exemple de type Inconel 738, une mesure d’une fraction de fissure apparue lors d’un traitement thermique (C0) ultérieur à la fabrication par fusion laser sélective (chauffage jusqu’à 1100°C à 10°C/min, puis trempe à l’air ou l’eau), dans la zone à concentration de contraintes 11 de la pièce 10. Il convient de distinguer le traitement de relaxation BRin situ(qui a lieu dans la machine de fabrication) du traitement thermique standard, ayant lieu dans un four après la fabrication par fusion laser. Un traitement thermique standard est composé de plusieurs cycles, composés chacun d’une sous-étape de chauffage, d’une sous-étape de maintien en température et d’une sous étape de refroidissement. Il a été identifié que la fissuration de l’Inconel 738 apparaissait au cours du chauffage du premier cycle.

La zone à concentration de contraintes 11 est un ligament situé entre deux entailles de la pièce 10. La fraction de fissure correspond à la fraction du ligament fissurée.

Pour mettre en évidence l’instant d’apparition des fissures, des éprouvettes ont été soumises à un chauffage identique au chauffage du premier cycle de traitement thermique, sous argon. Quand la température des éprouvettes a atteint une température Tstop, elles ont été sorties du four et refroidies rapidement par trempe à l’eau ou à l’eau (C0 ou C1). La partie inférieure de l’éprouvette est ensuite découpée, puis le ligament est rompu par serrage de l’éprouvette dans un étau. Le faciès de rupture est ensuite observé à l’aide d’une binoculaire. A cause de l’oxygène résiduelles dans le four de traitement thermique, le faciès de la fissure apparue lors du traitement thermique est oxydé en surface. Il est donc visible en observant à la binoculaire le ligament rompu. La figure 7 montre l’évolution de la fraction fissurée du ligament en fonction de la température Tstop. On y voit que pour le matériau en question, une fissure apparaît lors de la sous-étape de chauffage du premier cycle de traitement thermique, autour de 700°C, et que la fraction fissurée augmente ensuite au cours du chauffage, pour atteindre une valeur maximale de 50%.

L’efficacité d’un traitement de relaxation (C2) dans la machine de fabrication (in situ)pour supprimer la fissuration apparaissant lors du traitement thermique ultérieur a été évalué. Pour cela, le protocole décrit dans le paragraphe ci-dessus a été répété pour des éprouvettes ayant subi au préalable un traitement de relaxation BR. La variante employée est celle décrite par la figure 2.c, avec un chauffage en fin de fabrication, après dépoudrage du plateau de fabrication. Deux conditions de traitement de relaxation ont été réalisées, 1 : un traitement de 800W pendant 35s (1000 balayages) et 2 : un traitement de 70s (2000 balayages). Toute la surface supérieure de l’éprouvette a été balayée. A noter qu’un balayage unidirectionnel a été utilisé, de sorte que le temps de chauffage effectif n’est que la moitié du temps de balayage total, car le faisceau laser est éteint la moitié du temps. Le traitement de relaxation in situ de 35s (1) a permis de diminuer la fraction de fissure au traitement thermique de 55% à 15%. Le traitement de relaxation in situ de 70s (2) a permis de diminuer la fraction à 5%.

Comme également illustrées dans les microphotographies associées aux différentes conditions de traitement (M0 à M2), la fraction du ligament fissurée lors du chauffage du traitement thermique est plus faible pour les échantillons ayant subi au préalable un traitement de relaxation BRin situ, dans la machine de fabrication additive. Comme expliqué précédemment, ce traitement de relaxation BR a permis de chauffer le matériau suffisamment rapidement pour relaxer les contraintes résiduelles, tout en évitant la précipitation de la phase . Nous rappelons que la fissuration lors du chauffage est provoquée par la présence simultanée de contraintes résiduelles et d’une précipitation de la phase Habituellement, le chauffage du matériau est trop lent dans le four de traitement thermique pour permettre une relaxation des contraintes avant la précipitation de la phase .

Lesfigures 8A et 8Billustrent le profil des contraintes et en fonction de la profondeur. Les contraintes résiduelles ont été mesurées par Diffraction aux Rayons X (DRX) par la méthode des . Un rayonnement X avec la raie du magnésium a été utilisé avec une taille de spot de 0,3mm. Le dépouillement prend en compte un module d’Young E = 200GPa et un coefficient de Poisson de 0,3. Les mesures ont été réalisées en surface, ainsi qu’à une profondeur de 0,5mm et 5mm, à raison de trois mesures par condition de traitement de relaxation BR et par profondeur. Les mêmes mesures ont également été répétées sur des éprouvettes non soumises au traitement de relaxation BR. Ces mesures sont illustrées par les courbes C10 et C20.

Les mesures DRX montrent une diminution significative des contraintes avec les traitements de relaxation BR. Avec le premier traitement de relaxation BR, illustré par les courbes C11 et C21 (400W effectifs pendant 30s), la contrainte de surface est divisée par deux, alors que celle à 0,5mm est en légèrement négative. Après le second traitement de relaxation BR, illustré par les courbes C12 et C22 (400W effectifs pendant 60s), la contrainte de surface et la contrainte à 0,5mm de profondeur sont toutes les deux nulles. Nous remarquons qu’à une profondeur de 5mm, le niveau de contrainte reste inchangé. Le traitement de relaxation BR a donc permis une diminution des contraintes à l’endroit où elles étaient les plus élevées. Une telle diminution explique la forte baisse du taux de fissuration dans le four de traitement thermique.

Claims

Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique par fusion sélective sur lit de poudre, la pièce comprenant un empilement solidaire de couches (13) de poudre fusionnée par un faisceau énergétique de laser, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- dépôt d'au moins une couche de poudre d'un métal ou d'un alliage métallique destiné à constituer la pièce ;
- fusion par balayage du faisceau énergétique (BF) d’au moins une région de la couche de poudre, les conditions de l'étape de fusion étant définies par un premier groupe de paramètres contrôlant la densité d’énergie du faisceau et comportant : la puissance du faisceau, le diamètre du faisceau, et la vitesse de déplacement du faisceau, lesdits paramètres étant définis de telle sorte que la densité d’énergie du faisceau permet de chauffer localement la poudre à une température supérieure à une température de fusion de ladite poudre ;
- traitement de relaxation par balayage du faisceau énergétique (BR) de la surface de la pièce (10) à fabriquer, les conditions de l'étape de traitement de relaxation étant définies par un second groupe de paramètres contrôlant la densité d’énergie du faisceau et comportant : la puissance du faisceau, le diamètre du faisceau, et la vitesse de déplacement du faisceau, lesdits paramètres étant définis de telle sorte que la densité d’énergie du faisceau permet de chauffer uniformément à partir de ladite surface une couche à relaxer (14) à une température inférieure à la température de fusion.
Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique selon la revendication précédente dans lequel le diamètre du faisceau du premier groupe est d’une valeur inférieure au diamètre du faisceau du second groupe, et la vitesse de déplacement du faisceau du premier groupe est d’une valeur inférieure à la vitesse de déplacement du faisceau du second groupe.
Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique selon l’une des revendications précédentes dans lequel dans l’étape de traitement de relaxation (BR), le faisceau énergétique est émis pendant un temps d’émission prédéterminé, ledit temps d’émission du faisceau étant fonction de l’épaisseur (L) de la couche à relaxer (14).
Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique selon la revendication précédente dans lequel dans l’étape de fusion (BF), il est procédé à un balayage unique de la surface de la pièce, et dans lequel dans l’étape de traitement de relaxation (BR), il est procédé à une pluralité de balayages en continu de la surface de la pièce pendant le temps d’émission prédéterminé.
Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’étape de traitement de relaxation (BR) succède à l’étape de fusion (BF), la couche à relaxer (14) correspondant sensiblement à la dernière couche de poudre fusionnée (13), et dans lequel
les étapes de dépôt, fusion, et de traitement de relaxation sont répétées jusqu’à l’obtention de la pièce.
Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique selon l’une revendications 1 à 4 dans lequel l’étape de traitement de relaxation est réalisée avant ou pendant l’étape de fusion, la couche à relaxer (14) correspondant sensiblement à la couche de poudre déposée.
Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique selon l’une revendications 1 à 4 dans lequel la couche à relaxer (14) correspondant sensiblement à l’ensemble des couches fusionnées (13).
Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique selon l’une des revendications précédentes dans lequel la puissance du faisceau du second groupe est sensiblement supérieure ou égale à 300 W,
le diamètre du faisceau du second groupe est sensiblement supérieure ou égale à 500 µm,
la vitesse de déplacement du faisceau du second groupe est sensiblement supérieure ou égale à 7000 mm/s.
Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique selon l’une revendications 3 à 8 dans lequel une vitesse de chauffage de la couche à relaxer (14), déterminée en fonction du temps d’émission et de la puissance du faisceau, est comprise entre environ 1000°C/min et environ 2000°C/min.
Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’étape de traitement de relaxation (BR) comporte une stratégie de balayage du faisceau comportant une pluralité de cycle de balayage, un cycle de balayage comportant le balayage du faisceau selon une pluralité de lignes successives de trajectoire du faisceau, deux lignes successives étant séparées par un écart vecteur prédéterminé, et dans lequel à chaque cycle de balayage, les trajectoires du laser sont décalées d’une fraction de l’écart vecteur.
Procédé de fabrication d'une pièce (10) métallique selon la revendication précédente dans lequel la fraction de l’écart vecteur est égale à 0,25.