Fusion laser sélective de pièces céramiques à hautes performances : étude de l'interaction laser-matière

par Liliana Moniz Da Silva Sancho

Projet de thèse en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Marie-Hélène Berger et de Christophe Colin.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) , MAT-Fabrication Additive des materiaux hors d'équilibre et des structure - FAMHES (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2015 .


  • Résumé

    L'amélioration des rendements des turboréacteurs passe par l'augmentation de la température de fonctionnement ainsi que par l'allègement des structures, ce qui nécessite le développement de nouvelles pièces de faibles densités et résistantes aux hautes températures. Pour répondre à cette problématique, les travaux de cette thèse portent sur une céramique oxyde Al2O3-ZrO2 à composition eutectique. Il s'agit d'un matériau léger, réfractaire, intrinsèquement résistant à l'oxydation et au fluage. La clé de l'application de ces matériaux à des pièces comme les aubes de turbine passe par le design de nouvelles structures à géométrie complexe. Le procédé de fusion laser sélective permet de réaliser ce type de géométrie de par une fabrication couche par couche de la pièce. Par ailleurs, ce procédé de fabrication incrémentale imposant des cycles anisothermes et des vitesses de refroidissement élevées offre la possibilité d'orienter le plus grand gradient thermique dans le sens de la fabrication et de contrôler la vitesse de solidification du bain. Ces deux paramètres rendent alors possible la maîtrise des microstructures afin qu'elles soient fines et orientées pour optimiser la tenue mécaniques des pièces au fluage. Toutefois, l'Al2O3-ZrO2 n'absorbe que très peu les rayonnements lasers utilisés et résiste faiblement aux chocs thermiques, ce qui provoque la fissuration de couches consolidées. Ici, l'ajout de dopants à la poudre permet de pallier la quasi-transparence du matériau au rayonnement laser Nd:YAG qui est utilisé dans le cas présent. Quant à la fissuration, elle pourra être réduite par un préchauffage à haute température du matériau. L'objectif de la thèse consiste donc à établir des constructions stables et exemptes de défauts grâce à des études paramétriques sur la machine de fabrication. L'effet d'ajout d'absorbant à la poudre céramique est investigué, ainsi que celui de la taille des particules et la porosités des lits de poudre. Pour une meilleure compréhension de l'interaction entre le laser et le lit de poudre, des mesures spectroscopiques sont realisées de manière à connaître précisément les propriétés optiques des matériaux étudiés ainsi que leur évolution avec la teneur en dopant et les caractéristiques intrinsèques du milieu granulaire.

  • Titre traduit

    Selective laser melting of high performance ceramic parts : study of laser-matter interaction


  • Résumé

    Since its first developments in the 80's, additive manufacturing had mainly matured with polymer and metallic materials. Application to ceramics may offer new design possibilities of complex light structures with good oxidation, creep and temperature resistances. Use of ceramic parts is a stake for thermal efficiency improvement of gas turbines. Compared to other additive techniques, LBM provides direct near-net shape, offering simultaneous melting and shaping. It does not require extra use of post-processing. The most interesting benefits are made on final machining operations. In common ceramics, they are expensive, time consuming and account for 80% of global component costs. Ceramic LBM manufacturing using Nd:YAG laser has been delayed due to material poor absorptivity in near infra-red wavelength, and its weak thermal shock resistance. Those main issues can be overcome with addition of a sorbent like carbon black to ceramic powder and by using preheating systems [4]. Oxide eutectics such as alumina-zirconia were identified as good candidates to be shaped by this process. High thermal gradients and high cooling rates would enable to solidify very thin eutectic lamellar microstructures, which would contribute to good creep resistance. Alumina is also used as a model material since its properties have been widely studied in literature. Parametric studies are realised. Laser-powder bed interactions are characterized through spectrometric measures and improvement of existing interaction models. The effects of laser, powder bed properties (porosity,particle size,...) and sorbent parameters are assessed.