Mise au point d'une poudre d'alliage d'aluminium haute performance (série 6xxx ou 7xxx) imprimable par LBM (Laser Beam Melting)

par Mathieu Opprecht

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Jean-Paul Garandet et de Guilhem Roux.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec CEA Grenoble / LITEN (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Actuellement, seuls les alliages d'aluminium de fonderie (séries 4xxx -> AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg) sont disponibles et transformables par fabrication additive. Néanmoins ces alliages présentent des performances mécaniques relativement faibles (limite d'élasticité d'environ 200 MPa) ce qui limite très fortement le développement de la fabrication additive de pièces en aluminium. En effet, la plupart des alliages d'aluminium utilisés dans l'automobile, les applications aérospatiales et grand public sont des alliages des séries 2000, 5000, 6000 ou 7000 qui présentent une limite d'élasticité supérieure à 400 MPa à froid, et peuvent présenter de bonnes propriétés jusqu'à 150°C-200°C. Ces alliages ne sont néanmoins pas compatibles avec la fabrication additive car la dynamique de fusion et solidification lors de l'impression conduit à de la fissuration à chaud, problématique connue également en soudage (TIG, laser). La seule solution actuelle industrielle a été développée par Airbus avec l'alliage Scalmalloy (Al-Mg-Sc). Ce matériau a d'excellentes caractéristiques mécaniques à T° ambiante mais présente l'inconvénient d'intégrer du Scandium (solution très onéreuse) et de perdre très rapidement ses performances en température (>120°C). Il semblerait que la fonctionnalisation de poudres d'alliages d'aluminium haute performance par des affineurs (grain-refiners, i.e. nanoparticules d'agents de nucléation) permette d'éviter la formation de dendrites colonnaires, propice à la fissuration à chaud, rendant donc possible la mise en oeuvre de ces alliages hautes performances par fabrication additive. La thèse proposée vise donc à réaliser un screening de plusieurs compositions de nanoparticules. Ces nanoparticules seront intégrées à l'alliage de base par mécanosynthèse (technique identique à celle utilisée pour les ODS). La microstructure des matériaux obtenus après impression 3D par fusion laser sur lit de poudre sera finement caractérisée (localisation des porosités résiduelles, formes des dendrites, SDAS, performances mécaniques), de façon à faire le lien entre μstructure et procédé. En parallèle, des modélisations thermodynamiques ainsi que des modélisations champ de phase seront développées, afin de monter en compétences sur le développement de ces nouveaux matériaux. Ces méthodes pourront en effet être ensuite appliquées à d'autres familles de matériaux.

  • Titre traduit

    Development of high-performance aluminium alloys powder printable by LBM (Laser Beam Melting)


  • Résumé

    Currently only foundry aluminum alloys (4xxx family -> AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg) are available and manufactured by additive manufacturing. Nevertheless, these alloys have relatively low mechanical performances (elastic limit about 200 Mpa at room temperature) which limits very strongly the development aluminum additive manufacturing parts. Indeed, most aluminum alloys used in automotive, aerospace and structure applications are alloys from the 2000, 5000, 6000 or 7000 families that have a higher yield strength up to 400 MPa at room temperature, and may have good properties up to 150°C-200° C. But These alloys are not compatible with additive manufacturing because melting and solidification dynamics during printing leads to hot cracking, a problem that is also known in welding (TIG, laser). The only current industrial solution was developed by Airbus with Scalmalloy alloy (Al-Mg-Sc). This new material has excellent mechanical characteristics at room temperature but has the disadvantage of integrating Scandium (very expensive element) and lose very quickly its mechanical performances with temperature (> 120 ° C). It would appear that the functionalization of high performance aluminum alloy powders by grain-refiners (i.e. nanoparticles of nucleating agents) avoids the formation of dendritic columns, conducing to hot cracking, thus making possible the additive manufacturing of these high performance alloys. The proposed thesis aims to perform a screening of several compositions of nanoparticles. These nanoparticles will be incorporated into the base alloy by mechanosynthesis (technique used for ODS). The microstructure of the materials obtained after 3D printing by powder bed laser melting will be finely characterized (location of residual porosity, forms of dendrites, SDAS, mechanical performance), to make the connection between microstructure and process. In parallel, thermodynamic modeling as well as phase field modeling will be developed in order to develop skills in the development of these new materials. These methods should be also applied to other families of materials.