Fabrication additive par fusion laser sélective (SLM) d’un superalliage base nickel : relations procédé – microstructures – propriétés mécaniques.

Additive manufacturing by selective laser melting (SLM) of a nickel-based superalloy : relations process - microstructures - mechanical properties.

• Auteur / Autrice : Thibaut De Terris
• Direction : Patrice Peyre, Olivier Castelnau, Zehoua Hamouche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Baudin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Baudin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nickel -- Alliages

Propriétés mécaniques

Dissertation universitaire

Traitement thermique

Mots clés libres

Fusion laser sélective

Superalliage base nickel

Microstructure

Propriétés mécaniques

Selective laser melting

Nickel-Based superalloy

Microstructure

Mechanical properties

Résumé

Le procédé de fabrication additive SLM est un procédé d’impression 3D métallique régi par de nombreux paramètres liés à la machine et à l’environnement de fabrication. De ce fait, la qualité des pièces (taux de porosité, état de surface) ainsi que la productivité sont dépendant des réglages effectués. Les travaux réalisés dans cette thèse ont pour objectif d’optimiser le procédé SLM dans le but de pouvoir produire des échangeurs-réacteurs pour Air Liquide. D’autre part, une fois le procédé optimisé, il est nécessaire de qualifier les microstructures induites par la fabrication, et leurs effets sur les propriétés mécaniques. La première partie de l’étude a consisté à développer des jeux de paramètres permettant de réduire au maximum le taux de porosité des pièces, tout en améliorant l’état de surface et la productivité. Pour cela différents travaux expérimentaux ont été effectués sur la machine SLM du laboratoire PIMM, et une large exploration des effets des paramètres de premier et second ordre a été conduite sur de l’Inconel 625. La seconde partie de l’étude a consisté à étudier les microstructures de pièces élaborées par SLM, depuis leur état brut jusqu’à leur état recristallisé après traitement thermique. La relation entre procédé de fabrication et microstructures a pu être mise en évidence, et les propriétés mécaniques de pièces brutes et traitées thermiquement ont ensuite été caractérisées. Il ressort que les paramètres de fabrication influencent l’état microstructural brut, dont dépendent les propriétés mécaniques. En effet, des grains colonnaires dans le sens de fabrication sont formés. In fine, l’utilisation d’un traitement thermique adéquat permet cependant d’effacer l’effet de la fabrication pour retrouver une microstructure et des propriétés mécaniques homogènes.

The Selective Laser Melting (SLM) additive manufacturing process is a 3D metal printing process controlled by many parameters related to the machine and to the manufacturing environment. As a result, the quality of the parts (porosity rate, surface roughness) and the productivity depend on the parameters. The work carried out aims to optimize the SLM process in order to be able to produce exchangers for Air Liquide. On the other hand, once the process is optimized, it is necessary to qualify the microstructures induced by the process, and their effects on the mechanical properties. The first part of the study consisted in developing sets of parameters allowing to reduce as much as possible the porosity of the parts, while improving the surface roughness and the productivity. A lot of experimental work has been carried out on the SLM machine of the PIMM laboratory, and a wide exploration of the effects of the first and second order parameters has been done on Inconel 625. The second part of the study consisted of studying the microstructures of parts developed by SLM, from their raw state to their recrystallized state after heat treatment. The relationship between the manufacturing process and the microstructures has been demonstrated, and the mechanical properties of raw and heat-treated parts were then characterized. It appears that the manufacturing parameters will influence the raw microstructural state, on which the mechanical properties depend. Indeed, columnar grains are formed along the building direction. The use of a suitable heat treatment, however, makes it possible to cancel the effect of the process.