RACLE Audrey Mise en forme des métaux, méthodes avancées et procédés innovants

Encadrée par Patrice PEYRE

Fabrication additive par projection laser (FDPL) de composites à matrice métallique M-TiC et

microstructures associées

Materials & Engineering Sciences in Paris

J.M. Amado (2009). Structure of tungsten carbide reinforced NiCr layers obtained by laser cladding. Proceeding of the Fifth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2009.

H.C. Man (2004). Laser induced reaction synthesis of TiC+WC reinforced metal matrix composites coatings on Al 6061. Surface and Coatings Technology (2004) 74-80.

Luc LAJOYE (2007). L’ALUSiC, un matériau composite à matrice métallique centrifuge. Exposition du Bourget, 2007.

Ge. Zhenbin (2002). Combustion synthesis of ternary carbide Ti3AlC2 in Ti–Al–C system. Journal of the European Ceramic Society (2003) 567-574.

H.C. Man (2002). In situ synthesis of TiC reinforced surface MMC on Al6061 by laser surface alloying. Scripta Materialia (2002) 229-234.

C P Paul (2007). In-situ synthesis of titanium carbide particles in iron matrix using laser cladding. ICALEO 2007 Congress Proceedings p1705.

FDPL = fabrication additive de pièces 3D complexes par interaction d’une source laser et d’une poudre projetée.

Poudre : Alliage de Ti-6Al-4V largement utilisé dans l’aéronautique pour ses propriétés mécaniques (r = 4420 Kg.m-3 ; Rm =

1160 MPa).

Lasers : Lasers continus solides (de 100 W à 3 kW) ou lasers CO2 (3 à 5 kW).

Principe de la FDPL : Formation d’un bain liquide dans le

substrat et injection du jet de poudre dans le bain liquide métallique.

Les principaux paramètres procédés :

•Dm = Débit massique de poudre (de 1 à 10 g/min);

•V = Vitesse de déplacement (de 0.1 à 1 m/min);

•D = Diamètre du faisceau laser (de 0.2 à 5 mm);

•P = Puissance laser (de 100 à 1000W). Influence des paramètres procédé :

• Δh et Ra diminue avec V;

• Δh et Ra augmente avec Dm.

Les observables : taille de Zone fondue, cycle thermique T=f(t)

La Fabrication directe par projection laser

Réalisation de composites à matrice métallique (CMM)

Réalisation de CMM par laser par projection de poudre de matrice et de

renforts céramiques

Dans le cas des revêtements de composite à matrice métallique les études

ont montré :

• Interface matrice-renfort :

• Dureté élevée :

• Renforcement des propriétés :

Formation de CMM par synthèse in situ des renforts

Dans le cas des revêtements de composite à matrice métallique les

études ont mis en évidence les points suivants :

• Interface matrice-renfort :

• Dureté élevée :

• Renforcement des propriétés :

Micrsotructure de TiC dans matrice Fe,

obtenue par synthèse in-situ

Dépôt NiCr-WC par projection laser : présence de

macroporosités

10 mm

Mur en Ti-6Al-4V élaboré par FDPL

Pour un alliage CMM de NiCr-WC

l’augmentation du taux de renforts augmente le

taux de porosités à cause d’une mauvaise

interaction matrice-renfort lors de la

solidification de la matrice.

Dans un alliage CMM de NiCr-WC, les

couches projetées par laser contenant des

renforts ont une dureté élevé et une meilleure

résistance à l’usure. Valeurs de dureté Vickers dans les

échantillons NiCr-WC

Pour un alliage AS10G-SiC, la résistance à la

traction et le module d’élasticité du matériau

augmentent avec la fraction volumique des

carbures mais l’augmentation du taux de

renforts provoque une baisse de ductilité.

Les renforts produits sont très fins et

uniformément distribués dans la matrice

sans problèmes d’interface matrice-

renfort, le dépôt est exempt de défauts,

de porosités et de fissures.

Les couches projetées de Al6061-

TiC+WC présentent une dureté et une

résistance à l’usure supérieures à

l’alliage de base.

Dureté de différentes couches de

MMC projetées

Le Ti3AlC2 combine les avantages respectifs des deux métaux et

des céramiques : thermiquement et électriquement conducteur,

haute résistance aux chocs, un point de fusion élevé et

thermiquement stable. Variation du module d’Young de l’ALUSIC en

fonction de la fraction volumique de SiC

Technologie de fabrication des composites à matrice métallique :

- Composites à matrice métallique corroyés (obtenus par transformation de demi-

produits).

- Composites à matrice métallique moulés (application d’une pression mécanique sur

le métal jusqu’à la fin de la solidification de la pièce).

- Composites à matrice métallique au laser (présenté ici).

Matrice : de différent type : aluminium, magnésium, titane, réfractaire (les

matrices à haute température de fusion comme le cuivre, les aciers, les

superalliages à base de fer, de nickel et de cobalt).

Renforts : désigné par le terme de « particules » toutes les morphologies

(discontinus, continus ou hybrides) de renfort sont quasi isotropes. Les

fractions volumiques employées varient entre 10 et 50 % et la taille moyenne

des particules entre 5 et 50 μm.

Morphology of TiC particles Micrograph of Al matrix with TiC particles