Relations microstructure-propriétés mécaniques-procédés dans des pièces en alliages à base d'aluminium élaborées par fabrication additive.

Relation microstructure - process - mechanical properties in aluminum-based alloy parts produced by additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Gregory Rose
• Direction : Williams Lefebvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des materiaux
• Date : Soutenance le 07/10/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....)
• Jury : Président / Présidente : Benoit Vieille
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guilhem Martin, Eric Baustert, Isabelle Mouton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Couzinie, Myriam Dumont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudage laser

Soudage par fusion

Prototypage rapide

Sondes atomiques tomographiques

Précipitation (chimie)

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Propriétés thermiques

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Fusion laser sur lit de poudre

LPBF

Aluminium

Précipitation

Sonde atomique tomographique

Fabrication additive

Laser powder bed fusion

LPBF

Aluminium

Precipitation

Atom probe tomography

Résumé

La fusion laser sur lit de poudre (LPBF) est un procédé utilisé en fabrication additive qui permet la mise en forme d’une large variété de pièces complexes notamment pour les secteurs de l’aéronautique et l’aérospatial. Le système Al-Si est la famille d’alliages d’aluminium la plus communément utilisée pour la fabrication de pièces élaborées par LPBF. Ces alliages sont bien connus pour leur bonne coulabilité, leur haute conductivité thermique ainsi que pour leur bonne résistance à la corrosion. Cependant, les fortes vitesses de refroidissement inhérentes au procédé LPBF génèrent des microstructures ultrafines et des phases hors-équilibre avec une sursaturation en Si dans la matrice d’Al bien en-dessus de la limite de solubilité attendue dans les systèmes Al-Si.Afin de tirer profit des fortes vitesses de refroidissement et des gradients thermiques, de nouveaux alliages d’aluminium ont été développés ou modifiés spécialement pour le procédé LPBF. Ces matériaux réputés non soudables ont pu être mis en forme par fabrication additive grâce à l’introduction d’éléments germinateurs tels que le zirconium et le titane afin de limiter les phénomènes de fissuration à chaud.L’objectif de cette étude est d’évaluer l’impact du procédé de fusion laser sur lit de poudre et des traitements thermiques sur la formation de précipités et la composition des phases induites par le refroidissement rapide dans ces alliages d’aluminium. Dans ce contexte, le comportement des atomes de Si et Mg a été analysé pour les alliages Al-Si ainsi que l’effet de l’ajout de Zr et Ti dans l’alliage Al2139. Il est révélé que le procédé LPBF permet d’obtenir des structures complexes avec des gradients de microstructure à l’échelle micrométrique et nanométrique, modifiant ainsi les cinétiques de précipitation par rapport au procédé conventionnel. L’ensemble de ces éléments contribue à la haute résistance mécanique de ces matériaux notamment l’Al2139 AM qui peut atteindre une limite élastique (Rp0,2) et une résistance à la traction (Rm) supérieures à 500 MPa.Pour répondre aux objectifs, une caractérisation microstructurale multi-échelle a été entreprise, de la microscopie électronique à balayage jusqu’à la Sonde Atomique Tomographique. Compte tenu de la microstructure héritée du procédé LPBF, des traitements thermiques spécifiques ont été conçus pour améliorer la réponse au durcissement de l'alliage. Le niveau de durcissement a pu être mis en relation avec l'évolution de la microstructure de l’alliage.

The Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) process is used for the additive manufacturing (AM) of metal parts and is capable of producing a wide variety of complex parts for aeronautic and aerospatial sectors. Al-Si system is the most common aluminum alloy series used for the 3D manufacturing of parts by means of the PBF-LB method. They are known for their good flowability, high thermal conductivity and good corrosion resistance. However, rapid solidification causes ultrafine microstructure and non-equilibrium phases with supersaturation of Si in the Al matrix beyond the maximum solubility expected for the Al-Si system.In order to take advantage of the high cooling rate and thermal gradient, new aluminum alloys have been developed or modified specifically for the LPBF process. These materials, known as non-weldable, could be formed by additive manufacturing due to the introduction of grain refiners elements such as zirconium and titanium to limit the hot cracking effects.The main objective of this study is to evaluate the impact of the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process and heat treatments on the formation of precipitates and the composition of phases inherited by the rapid solidification process. In this context, clustering of Si and Mg atoms has been analysed for Al-Si alloys as well as the effect of adding Zr and Ti in Al2139 alloy. The LPBF process allows to obtain complex structures with microstructure gradients at the micrometer and nanometer scale, which modifies the precipitation kinetics compared to the conventional process. All these elements contribute to the high mechanical strength of these materials, especially Al2139 AM which can reach a yield strength (Rp0,2) and a tensile strength (Rm) higher than 500 MPa.In this study, a multi-scale microstructural characterization approach was chosen, from scanning electron microscopy to Atom Probe Tomography. From the knowledge of the microstructure inherited from the PBF-LB process, specific heat treatments were designed to improve the hardening response of the alloy and the level of hardening will be put into relation with the evolution of the alloy’s microstructure.