WO2020229197A1 - Procédé de fabrication d'une piece en alliage d'aluminium par fabrication additive et piece en alliage d'aluminium obtenue selon ledit procédé - Google Patents

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manufacturing
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Jean-Paul Garandet
Fernando LOMELLO
Guilhem Roux
Mathieu Soulier
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Definitions

  • the present invention relates to the general field of manufacturing aluminum alloy part by additive manufacturing.
  • the invention relates to a method of manufacturing aluminum alloy parts from a powder mixture containing aluminum-based particles and yttrin particles.
  • the invention also relates to an aluminum alloy part obtained with this process.
  • the invention is particularly advantageous since it makes it possible to remedy the problems of hot cracking of cracking aluminum alloys in additive manufacturing processes involving melting.
  • the invention finds applications in many industrial fields, and in particular in the automotive, aeronautics or even energy fields (for example, for the manufacture of heat exchangers).
  • the different manufacturing processes of metal alloy parts by additive manufacturing have in common the use of the raw material in the form of powders and to shape the metal alloy via a step of melting these powders. .
  • the various additive manufacturing processes concerned include, in particular, powder bed fusion processes (or PBF for "Powder Bed Fusion” in English terminology) and processes for depositing material under concentrated energy (or DED for " Directed Energy Deposition ”in Anglo-Saxon terminology).
  • PBF processes consist in melting certain regions of a bed of powder, for example by means of a laser beam.
  • DED processes consist of bringing the solid material, for example in the form of wire or powder, to melt it, for example by means of a laser beam, and to deposit the molten material.
  • the chemical composition of the powder alloy is changed.
  • Scamalloy shade (APWORKS ⁇ ). It is a light alloy comprising aluminum and magnesium, modified with zirconium and scandium, developed specifically for additive manufacturing.
  • AhSc primary particles precipitate from the liquid and act as seeds for the growth of grains of the Al matrix.
  • Scandium therefore allows a refinement of the microstructure and the development of equiaxed dendritic solidification.
  • Scandium is a particularly expensive element, which significantly increases the costs of the raw material (by a factor of 4 compared to a standard aluminum powder).
  • Another solution consists in adding nanoparticles of a so-called germinating material, less expensive than scandium, to the aluminum powder to promote equiaxial solidification.
  • aluminum alloy powders are mixed with nanoparticles in Zr, Ta, Nb, Ti or even in one of their oxides, nitrides, hydrides, borides, carbides and aluminides to manufacture parts.
  • parts are manufactured by selective laser melting (also denoted SLM) from, for example, a mixture comprising: B
  • An object of the present invention is to provide a method of manufacturing parts made of aluminum alloys which do not exhibit cracks, the method having to be simple to implement and inexpensive.
  • the present invention provides a method of manufacturing an aluminum alloy part by additive manufacturing comprising at least one step during which a layer of a mixture of powders is melted and then solidified,
  • the mixture of powders comprising:
  • the volume percentage of second particles in the mixture of powders ranging, preferably, from 0.5% to 5%.
  • the invention differs fundamentally from the prior art by the addition of particles of yttrium oxide (Y2O3) to the aluminum-based powder.
  • Y2O3 yttrium oxide
  • the addition of such particles makes it possible to promote an equiaxial solidification structure and thus eliminate cracking in the final part.
  • yttrium oxide gives rise to germinating AUY particles by reaction with aluminum according to the following reactions: Indeed, even if Yttrium oxide appears to be more thermodynamically stable than alumina regardless of temperature (see Ellingham diagram shown in Figure 1 and obtained from data extracted from Chu et al.
  • the release of the metal Y can take place by dissolving the oxide precursor (or the second particles) in the metal bath.
  • yttrin is a stable oxide, easy to handle and / or to store, with respect to metallic elements known to be highly reducing.
  • the second particles have a larger dimension ranging from 5nm to 2pm, preferably from 10nm to 400nm, and even more preferably from 30nm to 50nm.
  • the volume percentage of second particles in the mixture of powders ranges from 1% to 3%.
  • the first particles have a larger dimension ranging from 10 pm to 100 pm, for example from 10 to 45 pm, and preferably from 20 to 65 pm.
  • the additional elements are chosen from Cu, Si, Zn, Mg, Fe, Ti, Mn, Zr, Va, Ni, Pb, Bi and Cr.
  • the aluminum alloy is alloy 7075, alloy 6061, alloy 2219 or alloy 2024.
  • the manufacturing process is a selective laser melting process.
  • the manufacturing process is a selective melting process by electron beam.
  • the material cost of an aluminum alloy 6061 is about 60 € / kg and the material cost of a mixture of powders comprising the aluminum alloy 6061 and yttrin (2% by volume) is about 66 € / kg;
  • the invention also relates to an aluminum alloy part, obtained according to the method described above, the part comprising yttrin.
  • the part is devoid of any cracking / fissure.
  • the part is a heat exchanger.
  • FIG. 1 previously described is an Ellingham diagram representing the stabilities of aluminum oxide (Al 2 0 3 ) and of yttrium oxide (Y 2 0 3 ),
  • FIG. 2 schematically represents a mixture of powders according to a particular embodiment of the process of the invention.
  • the process for manufacturing an aluminum alloy part by additive manufacturing comprises the following successive steps: a) provide a mixture of powders comprising, and preferably consisting of:
  • first powder comprising first particles 10 made of a first material comprising at least 80% by weight of aluminum and up to 20% by weight of one or more additional elements
  • a second powder comprising second particles 20 made of a second material, the second material being yttrium oxide,
  • step d) cooling the plurality of molten areas in step c) so as to form a plurality of solidified zones, this plurality of solidified zones constituting the first elements of the parts to be constructed.
  • steps b), c) and d) can be repeated at least once so as to form at least one other solidified zone on the first solidified zone.
  • the process is repeated until the final shape of the part is obtained.
  • the first powder mixture layer is formed on a substrate.
  • yttrin particles 20 to the first aluminum-based particles 10 of interest makes it possible to obtain an equiaxial solidification structure and a final piece of aluminum alloy without cracking.
  • the first particles 10 are functionalized by the second particles 20 (FIG. 2).
  • the second particles 20 consist of yttrin.
  • the second yttrium oxide powder preferably represents from 0.5% to 5% by volume of the mixture of powders, preferably from 1% to 3%.
  • the first particles 10 have a larger dimension ranging from 10 pm to 100 pm and the second particles 20 have a larger dimension ranging from 5 nm to 2 pm and, preferably, from 10 nm to 400 nm.
  • the first particles 10 and the second particles 20 are elements which may be of spherical, ovoid or elongated shape.
  • the particles are substantially spherical and their largest dimension is their diameter.
  • the first powder is formed of first particles 10 of a first material.
  • the first material comprises at least 80% by mass of aluminum.
  • the first particles 10 can comprise up to 20% of one or more additional elements (also called alloying elements). These elements are preferably chosen from zinc, magnesium, copper, silicon, iron, manganese, titanium, vanadium, bismuth, lead, nickel, zirconium and chromium. Preferably, the additional element or one of the additional elements is magnesium.
  • the alloy is an aluminum alloy 7075, an alloy 2024, an alloy 2219 or an aluminum alloy 6061.
  • the mixture of powders provided in step a) is produced upstream of the additive manufacturing process.
  • the first powder and the second powder are mixed with the dynamic mixer BD, for example with a Turbula ® mixer.
  • the dynamic mixer BD for example with a Turbula ® mixer.
  • Turbula ® mixer Alternatively, it could be a mechanosynthesis process.
  • a sufficiently energetic beam is used to melt at least the first particles 10.
  • the deposited layer can be locally melted or completely melted.
  • the melting step makes it possible to create melted patterns in the layer of the mixture of powders.
  • One or more zones of molten particles can be made to form the desired pattern.
  • the particles 10 forming the pattern melt completely so as to lead, during solidification (step d), to one or more zones solidified in an aluminum alloy.
  • steps b), c) and d) can be repeated at least once so as to form at least one other solidified zone on the first solidified zone.
  • the process is repeated until the final shape of the part is obtained.
  • the non-solidified powders are then removed and the final part is detached from the substrate.
  • the part obtained, according to one of these processes, can be subjected to an annealing step (heat treatment) to reduce internal stresses and improve mechanical properties.
  • annealing step heat treatment
  • the parameters of the manufacturing process by laser fusion on a powder bed are:
  • it is an electron beam fusion process on a powder bed (EBM).
  • EBM powder bed
  • the machines used for additive manufacturing processes include, for example, a powder delivery system ("powder delivery system”), a device for spreading and homogenizing the surface of the powder (“Roller” or “ Blade ”), a beam (for example an infrared laser beam at a wavelength of approximately 1060nm), a scanner to direct the beam, and a substrate (also called a plate) which can descend vertically (along a Z axis perpendicular to the bed of powder).
  • the assembly can be confined in a closed and inerted enclosure, to control the atmosphere, but also to prevent the dissemination of powders.
  • the invention particularly finds applications in the field of energy, and more particularly, heat exchangers, in the field of aeronautics, and in the field of the automobile.
  • a cube shaped part with dimensions 10mm * 10mm * 12mm is made by printing by SLM.
  • the part is obtained from a mixture of two powders: an aluminum alloy powder and an yttrin powder.
  • its particle size ranges from 30nm to 50nm.
  • the mixture of the two powders is made in a glove box from: 1200mL of the aluminum alloy powder to be refined, 24mL of the yttrium oxide powder (mixture at 2% by volume), and 250mL of Zirconia balls of 3mm diameter, used to homogenize the mixture.
  • the volume of the mixing pot is 6.5L.
  • the filling rate defined as the ratio of the volume represented by the particles 10, the particles 20 and the zirconia beads to the volume of the mixing pot, is approximately 23%.
  • the mixture is passed to 3D dynamic mixer, for example in the Turbula ® during lOh.
  • the mixture is then coarsely sieved (1mm) to recover the zirconia beads, then it is used to make a part by 3D printing.
  • the SLM conditions making it possible to obtain the densest cubes are as follows: laser power: 190-270W; laser speed: 400-800mm / s, vector space: 100pm; layer thickness (powder bed): 20pm.

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Abstract

Procédé de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium par fabrication additive comprenant une étape au cours de laquelle une couche d'un mélange de poudres est localement fondue puis solidifiée, caractérisé en ce que le mélange de poudres comprend : - des premières particules (10) comprenant au moins 80% massique d'aluminium et jusqu'à 20% massique d'un ou plusieurs éléments additionnels, et - des deuxièmes particules (20) en yttrine, le pourcentage volumique de deuxièmes particules (20) dans le mélange de poudres allant, de préférence, de 0,5% à 5%.

Description

PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UNE PIECE EN ALLIAGE D'ALUMINIUM PAR FABRICATION ADDITIVE ET PIECE EN ALLIAGE D'ALUMINIUM
OBTENUE SELON LEDIT PROCÉDÉ
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de pièce en alliage d'aluminium par fabrication additive.
L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium à partir d'un mélange de poudre contenant des particules à base d'aluminium et des particules d'yttrine.
L'invention concerne également une pièce en alliage d'aluminium obtenue avec ce procédé.
L'invention est particulièrement intéressante puisqu'elle permet de remédier aux problèmes de fissuration à chaud des alliages d'aluminium fissurants dans les procédés de fabrication additive impliquant une fusion.
L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines industriels, et notamment dans les domaines de l'automobile, de l'aéronautique ou encore de l'énergie (par exemple, pour la fabrication d'échangeurs thermiques).
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les différents procédés de fabrication de pièces en alliage métallique par fabrication additive (aussi appelée impression BD) ont pour point commun d'utiliser la matière première sous forme de poudres et de mettre en forme l'alliage métallique via une étape de fusion de ces poudres.
Les différents procédés de fabrication additive concernés incluent, en particulier, les procédés de fusion sur lit de poudre (ou PBF pour « Powder Bed Fusion » en terminologie anglo-saxonne) et les procédés de dépôt de matière sous énergie concentrée (ou DED pour « Directed Energy Déposition » en terminologie anglo-saxonne).
Les procédés PBF consistent à faire fondre certaines régions d'un lit de poudre, par exemple au moyen d'un faisceau laser. Les procédés DED consistent à amener le matériau solide, par exemple sous forme de fil ou de poudre, de le faire fondre, par exemple au moyen d'un faisceau laser, et de déposer le matériau fondu.
Avec de tels procédés, il est possible de produire industriellement des pièces, de forme simple ou complexe, ayant des propriétés mécaniques satisfaisantes.
Cependant, certains alliages d'aluminium sont sujets à des problèmes de fissuration à chaud résultants d'une solidification dendritique colonnaire, à l'origine d'une microstructure sensible aux contraintes thermomécaniques pendant la solidification, notamment pour une fraction solide allant de 0,9 à 0,98.
Pour remédier à cet inconvénient, différentes solutions ont été envisagées.
Par exemple, il est possible de modifier la composition chimique de l'alliage de la poudre. C'est le cas par exemple de la nuance Scamalloy (APWORKS ©). Il s'agit d'un alliage léger comprenant de l'aluminium et du magnésium, modifié avec du zirconium et du scandium, développé spécifiquement pour la fabrication additive. Au cours de la solidification, des particules primaires AhSc précipitent à partir du liquide et actent comme des germes pour la croissance de grains de la matrice Al. Le Scandium permet donc un raffinement de la microstructure et le développement d'une solidification dendritique équiaxe. Cependant, le Scandium est un élément particulièrement cher, ce qui augmente considérablement les coûts de la matière première (d'un facteur 4 par rapport à une poudre standard d'aluminium).
Une autre solution consiste à ajouter à la poudre d'aluminium des nanoparticules d'un matériau dit germinant, moins cher que le scandium, pour promouvoir une solidification équiaxe.
Dans le document WO 2018/144323 Al, des poudres en alliage d'aluminium sont mélangées avec des nanoparticules en Zr, Ta, Nb, Ti ou encore en un des leurs oxydes, nitrures, hydrures, borures, carbures et aluminures pour fabriquer des pièces en alliage d'aluminium par fabrication additive. Parmi les différents exemples de réalisation décrits, des pièces sont fabriquées par fusion sélective par laser (aussi notée SLM) à partir, par exemple, d'un mélange comprenant : B
- de l'aluminium et des nanoparticules de tantale de 50nm de diamètre (1% volumique), ou
- un alliage d'aluminium (AI7075 ou AI6061) et des nanoparticules de zirconium de 500-1500nm de diamètre (1% volumique).
Dans le document de Martin et al. "3D printing of high-strength aluminium alloys", Nature 549 (2017), pages 365-369, des poudres d'alliages d'aluminium de séries 7075 (distribution bimodale à 15pm et 45pm) et 6061 (dso de 45pm) ont été mélangées avec 1% volumique de nanoparticules de Zirconium stabilisées à l'hydrogène (Zrhh) pour remédier au problème de fissuration à chaud des alliages d'aluminium obtenu par SLM. Les nanoparticules sont « électrostatiquement » assemblées sur la poudre de base pour obtenir une répartition uniforme. Aucune information n'est donnée sur la granulométrie des nanoparticules utilisées.
EXPOSE DE l'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de pièces en alliages d'aluminium ne présentant pas de fissure, le procédé devant être simple à mettre en œuvre et bon marché.
Pour cela, la présente invention propose un procédé de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium par fabrication additive comprenant au moins une étape au cours de laquelle une couche d'un mélange de poudres est fondue puis solidifiée,
le mélange de poudres comprenant :
- des premières particules comprenant au moins 80% massique d'aluminium et jusqu'à 20% massique d'un ou plusieurs éléments additionnels, et
- des deuxièmes particules en yttrine (Y2O3), le pourcentage volumique de deuxièmes particules dans le mélange de poudres allant, de préférence, de 0,5 % à 5%.
L'invention se distingue fondamentalement de l'art antérieur par l'adjonction de particules d'oxyde d'yttrium (Y2O3) à la poudre à base d'aluminium. L'adjonction de telles particules permet de favoriser une structure de solidification équiaxe et ainsi éliminer la fissuration dans la pièce finale. Contre toute attente, l'oxyde d'yttrium donne naissance à des particules germinantes d'AUY par réaction avec l'aluminium selon les réactions suivantes:
Figure imgf000005_0001
En effet, même si l'oxyde d'Yttrium semble plus stable thermodynamiquement que l'alumine quelle que soit la température (voir le diagramme d'Ellingham représenté sur la figure 1 et obtenu à partir des données extraites de Chu et al. "Sintering of aluminum nitride by using alumina crucible and MoSh heating element at températures of 1650°C and 1700°C", Ceramics International 35 (2009), 3455-3461), il a été observé que, au cours du procédé de fabrication additive, on forme la phase germinante AI3Y par décomposition de l'yttrine.
Alternativement ou de manière concomitante, la libération du métal Y peut se faire par dissolution du précurseur oxyde (ou des deuxième particules) dans le bain métallique.
II ne paraissait pas évident que cette phase AI3Y (2ème réaction) ait le temps de germer puisque les durées de vie des bains de métaux fondus, formés lors du procédé, sont relativement courts (de la centaine de microsecondes à la milliseconde). A première vue, cette réaction in-situ n'est ni thermodynamiquement ni cinétiquement favorisée par les conditions thermiques imposées par le procédé.
Avantageusement, l'yttrine est un oxyde stable, facile à manipuler et/ou à stocker, par rapport à des éléments métalliques connus pour être fortement réducteurs.
Avantageusement, les deuxièmes particules ont une plus grande dimension allant de 5nm à 2pm, de préférence de lOnm à 400nm, et encore plus préférentiellement de 30nm à 50nm.
Avantageusement, le pourcentage volumique de deuxièmes particules dans le mélange de poudres va de 1% à 3%. Avantageusement, les premières particules ont une plus grande dimension allant de lOpm à lOOpm par exemple de 10 à 45pm, et de préférence de 20 à 65pm.
Avantageusement, les éléments additionnels sont choisis parmi Cu, Si, Zn, Mg, Fe, Ti, Mn, Zr, Va, Ni, Pb, Bi et Cr.
Avantageusement, l'alliage d'aluminium est l'alliage 7075, l'alliage 6061, l'alliage 2219 ou l'alliage 2024.
Selon une première variante de réalisation avantageuse, le procédé de fabrication est un procédé de fusion sélective par laser.
Selon une deuxième variante de réalisation avantageuse, le procédé de fabrication est un procédé de fusion sélective par faisceau d'électrons.
Le procédé présente de nombreux avantages :
- être simple à mettre en oeuvre, puisqu'il suffit de mélanger des poudres. Il s'agit d'une étape par voie sèche, rapide à réaliser et simple à mettre en place, quelle que soit la quantité de poudres ;
- être peu coûteux, et donc intéressant d'un point de vue industriel. A titre illustratif, le coût matière d'un alliage d'aluminium 6061 est d'environ 60€/kg et le coût matière d'un mélange de poudres comprenant l'alliage d'aluminium 6061 et l'yttrine (2% volumique) est d'environ 66€/kg ;
- pouvoir stocker/manipuler facilement la poudre d'yttrine, puisqu'il s'agit d'un oxyde : il n'y a pas besoin d'utiliser d'atmosphère inerte ;
- pouvoir utiliser des poudres dont les particules sont de petites dimensions puisque de telles particules d'yttrine ne sont pas pyrophoriques (contrairement à des particules d'yttrium de mêmes dimensions), ce qui rend le procédé plus sûr ;
- pouvoir facilement modifier le rapport volumique entre les poudres au moment du mélange de poudre ;
- être facilement adaptable pour tout procédé de fabrication additive et pour tout alliage d'aluminium sujet au problème de fissuration à chaud ; - pouvoir utiliser les paramètres classiquement utilisés dans les procédés de fabrication additive.
L'invention concerne également une pièce en alliage d'aluminium, obtenue selon le procédé précédemment décrit, la pièce comprenant de l'yttrine. La pièce est dépourvue de fissuration/fissure.
Avantageusement, la pièce est un échangeur thermique.
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.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
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 :
La figure 1 précédemment décrite, est un diagramme d'Ellingham représentant les stabilités de l'oxyde d'aluminium (Al203) et de l'oxyde d'yttrium (Y203),
La figure 2 représente de manière schématique un mélange de poudres selon un mode de réalisation particulier du procédé de l'invention.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
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 de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium par fabrication additive comprend les étapes successives suivantes : a) fournir un mélange de poudres comprenant, et de préférence constitué par :
- une première poudre comprenant des premières particules 10 en un premier matériau comprenant au moins 80% massique d'aluminium et jusqu'à 20% massique d'un ou plusieurs éléments additionnels,
- une deuxième poudre comprenant des deuxièmes particules 20 en un deuxième matériau, le deuxième matériau étant de l'oxyde d'yttrium,
b) former une couche du mélange de poudres,
c) faire fondre localement la couche du mélange de poudres, de préférence, par balayage d'un faisceau laser ou par balayage d'un faisceau d'électrons, de manière à former une pluralité de zones fondues,
d) refroidir la pluralité fondue à l'étape c) de manière à former une pluralité de zones solidifiées, cette pluralité de zones solidifiées étant constitutive des premiers éléments des pièces à construire.
Avantageusement, les étapes b), c) et d) peuvent être répétées au moins une fois de manière à former au moins une autre zone solidifiée sur la première zone solidifiée. Le procédé se répète jusqu'à obtenir la forme finale de la pièce. La première couche de mélange de poudres est formée sur un substrat.
L'ajout de particules 20 d'yttrine aux premières particules 10 d'intérêt à base d'aluminium permet d'obtenir une structure de solidification équiaxe et une pièce finale en alliage d'aluminium sans fissuration.
De préférence, les premières particules 10 sont fonctionnalisées par les deuxièmes particules 20 (figure 2).
De préférence, les deuxièmes particules 20 sont constituées d'yttrine.
La deuxième poudre d'oxyde d'yttrium représente, de préférence, de 0,5% à 5% volumique, du mélange de poudres, préférentiellement de 1% à 3%.
Selon un mode de réalisation avantageux, les premières particules 10 ont une plus grande dimension allant de lOpm à lOOpm et les deuxièmes particules 20 ont une plus grande dimension allant de 5nm à 2pm et, de préférence, de lOnm à 400nm. Les premières particules 10 et les deuxièmes particules 20 sont des éléments pouvant être de forme sphérique, ovoïde ou allongée. De préférence, les particules sont sensiblement sphériques et leur plus grande dimension est leur diamètre.
La première poudre est formée de premières particules 10 en un premier matériau. Le premier matériau comprend au moins 80% massique d'aluminium.
Les premières particules 10 peuvent comprendre jusqu'à 20% d'un ou plusieurs éléments additionnels (aussi appelés éléments d'alliage). Ces éléments sont, de préférence, choisis parmi le zinc, le magnésium, le cuivre, le silicium, le fer, le manganèse, le titane, le vanadium, le bismuth, le plomb, le nickel, le zirconium et le chrome. De préférence, l'élément additionnel ou l'un des éléments additionnels est du magnésium.
De préférence, l'alliage est un alliage d'aluminium 7075, un alliage 2024, un alliage 2219 ou un alliage d'aluminium 6061.
Le mélange de poudres fourni à l'étape a) est réalisé en amont du procédé de fabrication additive.
Dans un mode préférentiel de mise en oeuvre de l'invention, la première poudre et la deuxième poudre sont mélangées au mélangeur dynamique BD, par exemple avec un mélangeur Turbula®. Alternativement, il pourrait s'agir d'un procédé de mécano- synthèse.
Lors de l'étape c), on utilise un faisceau suffisamment énergétique pour faire fondre au moins les premières particules 10.
La couche déposée peut être localement fondue ou totalement fondue.
L'étape de fusion permet de créer des motifs fondus dans la couche du mélange de poudres. Une ou plusieurs zones de particules fondues peuvent être réalisées pour former le motif désiré. Les particules 10 formant le motif fondent complètement de manière à conduire, lors de la solidification (étape d), à une ou plusieurs zones solidifiées en un alliage d'aluminium.
Avantageusement, les étapes b), c) et d) peuvent être répétées au moins une fois de manière à former au moins une autre zone solidifiée sur la première zone 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.
La pièce obtenue, selon l'un de ces procédés, peut être soumise à une étape de recuit (traitement thermique) pour réduire les contraintes internes et améliorer les propriétés mécaniques.
Selon une première variante de réalisation, il s'agit d'un procédé de fusion laser sur lit de poudre (SLM). A titre illustratif et non limitatif, les paramètres du procédé de fabrication par fusion laser sur lit de poudre sont :
- entre 50 et 500W pour la puissance laser ;
- entre 100 et 2000 mm/s pour la vitesse laser ;
- entre 25 et 120pm pour la distance entre deux espaces vecteurs (« hatch » en terminologie anglo-saxone) ;
- entre 15 et 60pm pour l'épaisseur de couche.
Selon une autre variante de réalisation, il s'agit d'un procédé de fusion par faisceau d'électrons sur lit de poudre (EBM). A titre illustratif et non limitatif, les paramètres du procédé de fabrication par fusion par faisceau d'électrons sur lit de poudre sont :
- entre 50 et 3000W pour le faisceau d'électrons ;
- entre 100 et 8000 mm/s pour la vitesse du faisceau ;
- entre 50 et 150pm pour la distance entre deux espaces vecteurs ;
- entre 40 et 60pm pour l'épaisseur de couche.
Les machines utilisées pour les procédés de fabrication additive comprennent, par exemple, 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 »), un faisceau (par exemple un faisceau laser infrarouge à une longueur d'onde de 1060nm environ), un scanner pour diriger le faisceau, et un substrat (aussi appelé plateau) qui peut descendre verticalement (selon un axe Z perpendiculaire au lit de poudre).
L'ensemble peut être confiné dans une enceinte fermée et inertée, pour contrôler l'atmosphère, mais aussi pour éviter la dissémination des poudres. Bien que cela ne soit aucunement limitatif, l'invention trouve particulièrement des applications dans le domaine de l'énergie, et plus particulièrement, des échangeurs thermiques, dans le domaine de l'aéronautique, et dans le domaine de l'automobile.
Exemples illustratifs et non limitatifs d'un mode de réalisation :
Dans cet exemple, une pièce en forme de cube de dimensions 10mm*10mm*12mm est fabriquée par impression par SLM.
La pièce est obtenue à partir d'un mélange de deux poudres : une poudre d'alliage d'aluminium et une poudre d'yttrine.
La granulométrie de la poudre d'alliage d' Aluminium (AI6061) est la suivante : dio=27,5pm, dso=41,5pm et dgo=62,7pm.
Concernant la poudre d'Y2C>3, sa granulométrie va de 30nm à 50nm.
Le mélange des deux poudres est réalisé en boîte à gant à partir de : 1200mL de la poudre d'alliage d'aluminium à raffiner, 24mL de la poudre d'oxyde d'Yttrium (mélange à 2% volumique), et de 250mL de billes de Zircone de diamètre 3mm, utilisées pour homogénéiser le mélange. Le volume du pot de mélange est de 6,5L.
Le taux de remplissage, défini comme le rapport du volume représenté par les particules 10, les particules 20 et les billes de Zircone sur le volume du pot de mélange, est environ de 23%.
Le mélange est passé au mélangeur dynamique 3D, par exemple au Turbula®, pendant lOh.
Le mélange est ensuite tamisé grossièrement (1mm) pour récupérer les billes de zircone, puis il est utilisé pour réaliser une pièce par impression 3D.
A titre illustratif, les conditions SLM permettant d'obtenir les cubes les plus denses sont les suivantes : puissance laser : 190-270W ; vitesse laser : 400-800mm/s, espace vecteur : lOOpm ; épaisseur de couche (lit de poudre): 20pm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium par fabrication additive comprenant une étape au cours de laquelle une couche d'un mélange de poudres est localement fondue puis solidifiée, caractérisé en ce que le mélange de poudres comprend :
- des premières particules (10) comprenant au moins 80% massique d'aluminium et jusqu'à 20% massique d'un ou plusieurs éléments additionnels, et
- des deuxièmes particules (20) en yttrine, le pourcentage volumique de deuxièmes particules dans le mélange de poudres allant, de préférence, de 0,5% à 5%.
2. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deuxièmes particules (20) ont une plus grande dimension allant de 5nm à 2pm, de préférence de lOnm à 400nm, et encore plus préférentiellement de 30nm à 50nm.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pourcentage volumique de deuxièmes particules 20) dans le mélange de poudres va de 1% à 3%.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premières particules (10) ont une plus grande dimension allant de lOpm à lOOpm, et de préférence de 20 à 65pm.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments additionnels sont choisis parmi Cu, Si, Zn, Mg, Fe, Ti, Mn, Zr, Va, Ni, Pb, Bi et Cr.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium est l'alliage 7075, l'alliage 2024, l'alliage 2219 ou l'alliage 6061.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le procédé de fabrication est un procédé de fusion sélective par laser.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le procédé de fabrication est un procédé de fusion sélective par faisceau d'électrons.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le mélange de poudre est réalisé au mélangeur dynamique BD ou par mécano- synthèse.
10. Pièce en alliage d'aluminium obtenue selon le procédé tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'elle comprend de l'yttrium.
11. Pièce selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la pièce est un échangeur thermique.
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