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

par Jonathan Stef

Thèse de doctorat en Physico-Chimie de la Matière Condensée

Sous la direction de Mohamed Gouné et de Angéline Poulon.

Soutenue le 17-12-2018

à Bordeaux , dans le cadre de Sciences Chimiques , en partenariat avec Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux / ICMCB (laboratoire) .


  • Résumé

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

  • Titre traduit

    Selective laser melting of TA6V powders : microstructure and mechanisms of formation of voids in relationship with process parameters and structural properties


  • Résumé

    Selective Laser Melting (SLM) is an additive manufacturing process of metallic parts based on powder bed fusion (PBF). SLM is part of the industry 4.0 concept and is opposed to conventional manufacturing processes where the material is either subtracted, deformed or molded. From a numerical model, parts are built by material addition layer by layer. The SLM process has incontestable advantages as it offers the possibility of making small parts with complex shapes and reducing transportation costs. It also promotes mass customization and relocation of factories close to customers. However, the SLM process suffers of a lack of repeatability and control of manufactured parts which hinders its development on a larger scale. Among the possible reasons, the control of part properties is made difficult since it depends on many complex interactions between the input powders, the process parameters and microstructural features.In this work, we propose to investigate the relationships between manufacturing process parameters of Ti-6Al-4V titanium alloy parts, the mechanisms of formation of their voids, their microstructure and their structural properties. In this purpose, a parametric study was conducted to evaluate the influence of laser power, scanning speed and hatch-spacing parameters. Three energy densities were considered (50, 75 and 100J/mm3), and a rotative scanning strategy was chosen.From an original approach based on 2D fracture surface and 3D-Xray tomography analysis of parts, two mechanisms of pore formation were identified and investigated. For 50J/mm3, the spatial distribution of voids is shown to be dependent to the scanning strategy. The volume fraction and density of pores depend on the laser power and the scanning speed. For higher energy densities (75 and 100 J/mm3), two new mechanisms of pore formation were identified corresponding to over-melting and gas trapping.Concerning the microstructure, the whole characterized specimens have shown a weakly textured α’ martensitic structure. For a same energy density, prior-β grain morphology and α’ needle size were revealed to be dependent to the process parameters. Fine investigations carried out by Transmission Electron Microscopy underscored the presence of un-identified twins in literature. They are first, twins of type {01̅11} <2̅111̅>a’ or {01̅11} <21̅1̅1>’ with a rotation of 57° around the [21̅1̅0]a’ zone axis and a twinning shear of 0,542, and secondly, twins of type {011̅1}<7̅ 21 14 11>a’ or {1̅011}<11 14 1̅ 0>a’ with a rotation of 63° around the [12̅2̅1]a’ zone axis and a twinning shear of 0,963. These twins would indicate that a stress relaxation phenomenon takes place, induced by the high cooling rates and the martensitic transformation.Concerning mechanical properties, porosity affects the material ductility. Its behavior is more brittle even when the volume fraction of voids is small (<1%). 3D reconstruction of a tensile broken specimen attests a one to one relationship between the spatial distribution of pores and the crack path. Finally, pores formed by a lack of fusion and denudation are more detrimental for mechanical properties than over melting ones. This analyze is also performed by comparison with the volume fraction and the morphology of voids corresponding to each mechanism of formation.


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