Influence de la stratégie de lasage sur la population des pores de keyhole

keyhole

La stratégie de balayage laser peut avoir un effet indirect important sur la population de pores, notamment pour des zones situées aux extrémités de cordons de lasage. Bien que l’utilisation d’une stratégie de remplissage par sections (bandes, échiquier…) soit souvent utilisée pour limiter l’échauffement ou les contraintes résiduelles dans les pièces, celle-ci peut accroître la porosité par rapport à une stratégie en méandres. La multiplication des zones de jonction correspond en effet à une multiplication d’hétérogénéités du régime d’interaction, notamment en mode delay, où le laser va accélérer et décélérer à toutes les extrémités de cordons.

II.3.3.1. Fabrication des échantillons

Pour mettre en évidence l’impact des zones de recouvrement sur le taux de porosité, quatre types d’échantillons ont été fabriqués (Tableau II-10). Ces échantillons mesurent 14*17 mm dans le plan XY, pour une hauteur de 15 mm dans la direction de fabrication. L’échantillon Del-10 a été fabriqué en plusieurs exemplaires pour permettre d’effectuer plusieurs observations simultanées dans différents plans d’observation en métallographie. Tout le reste

des paramètres était identique pour les 4 échantillons qui ont été fabriqués dans des conditions permettant une bonne densification de la matière (Tableau II-11) en restant à une VED inférieure à 70 J.mm-3.

Échantillon Mode Stratégie

Del-10 Delay Bandes 10 mm

Sky-10 Skywriting Bandes 10 mm

Sky-25 Skywriting Bandes 25 mm

Sky-inf Skywriting Méandres

Tableau II-10: Échantillons fabriqués pour analyse de l'impact de la stratégie de remplissage

Paramètre Valeur Puissance (W) 200 Écart-vecteur (µm) 110 Diamètre faisceau (µm) 73 Hauteur de couche (µm) 30 Vitesse (mm.s-1_{) 800}

Tableau II-11: Paramètres laser de remplissage (VED =59 J.mm-3_{). Le reste des paramètres est identique à ceux du Tableau}

II-4.

Pour limiter la quantité de zones de recouvrement, la longueur maximale des bandes peut être augmentée (Tableau II-10), ce qui accroît la longueur moyenne d’un cordon avant son arrêt (Figure II-22 a) et b)). Une longueur infinie correspond au remplissage en méandres où seule la zone entre le remplissage (orange) et le contour (rouge) est une zone d’arrêt des vecteurs de scan (Figure II-22 c)). Bien que les longueurs aient été fixées à 10 et 25 mm, les distances entre deux zones de rebroussement du faisceau peuvent parfois être légèrement supérieures à la consigne. En effet, une fonction du logiciel de conception SLM fusionne les vecteurs de lasage en remplissage si ceux-ci ont des dimensions trop faibles.

Figure II-22: Stratégie de balayage laser adoptée pour a) Les échantillons Del-10 et Sky-10, b) Sky-25, c) Sky-inf. Les flèches rouges dégradées indiquent les ralentissements et accélération du laser aux zones de jonction en cœur de pièce dans le cas d’un lasage en mode delay. Toutes les zones à la limite rouge-orange entre le remplissage et le contour sont aussi des

II.3.3.2. Influence de la stratégie de balayage laser - Analyse de la porosité

Une analyse de la porosité a été effectuée sur 180 mm² dans le plan X-Y de chaque échantillon avec une résolution de 0.689 µm.pixel-1. La porosité de l’échantillon Del-10 (0.42 %) est en moyenne 28 fois supérieure à celle des autres échantillons fabriqués avec le mode

skywriting (avec vitesse de balayage laser constante) qui reste inférieure à 0.02 % (Figure II-23).

Les 0.42 % de porosité obtenus en mode delay sont principalement constitués de pores sphériques ou ovoïdes, ce qui indique des pores de keyhole apparus dans des zones de transition, où la vitesse locale de balayage était nettement plus faible que les 800 mm.s-1 de consigne. En mode skywriting, ce taux de porosité peut avoisiner 0.01% dans le cas d’une pièce réalisée en méandres, sans zones de jonction à cœur. Au final, le mode skywriting semble suffisant pour réduire le taux de porosité dans les conditions de fabrication choisies.

Figure II-23: a) Analyse de la porosité pour les 4 échantillons b) Tracé des valeurs en skywriting pour l'encadré rouge en a)

La visualisation des pores à faible grossissement (x 25) révèle leur alignement très marqué en lignes dans l’échantillon Del-10 dans le plan X-Y (Figure II-24 a)). Une porosité plus importante est aussi observable aux 4 bords de l’échantillon en X-Y et aux bords latéraux de l’échantillon observé dans le plan X-Z (Figure II-24 b)). Les échantillons réalisés en

skywriting ne présentent pas de pores de dimensions suffisantes pour être observables à faible

Figure II-24: Visualisation à faible grossissement des pores dans l'échantillon Del-10 a) Dans le plan X-Y b) Dans le plan X- Z. c) Absence de pores dans les échantillons fabriqués en mode Skywriting dans le plan X-Y.

En contrôlant la profondeur polie dans le plan X-Y, il est possible de connaître la position en Z des lignes de pores et de retrouver la ou les couches de fabrication SLM correspondantes (Figure II-25 a) à c)). La comparaison de ces lignes aux zones de recouvrement identifiées sur le fichier SLM montre une corrélation directe entre les pores et les extrémités des cordons. Logiquement, la multiplication des zones de recouvrement est donc à l’origine de la quasi-totalité des porosités dans l’échantillon Del-10, qui apparaissent en bout de cordons, dans les zones d’accélération et décélération de la tête scanner dues au mode delay. La figure incrustée dans la Figure II-25 a) dans le plan X-Z, montre en effet des cordons très profonds en

keyhole dans une zone de transition, et contenant des pores (blancs). Ces pores sont détectés à

différentes hauteurs dans les cordons profonds, ce qui permet l’observation simultanée des pores fabriqués à 5 couches différentes.

Figure II-25: a) Observation des lignes de pores dans le plan X-Y dans l’échantillon A, b) Superposition des lignes de pores aux zones de recouvrement aux couches de fabrication n°596 à 600 indiquées par le fichier SLM c) Observation à plus fort grossissement des pores après attaque dans le plan X-Z, et dans le coin de l’échantillon à la zone de jonction remplissage-

Si le skywriting apparaît donc comme une solution suffisante pour supprimer ce type de pores en stabilisant la vitesse de balayage laser, des études récentes ont montré que malgré l’utilisation du skywriting, l’apparition de pores aux extrémités des cordons est possible en

keyhole [192]. Khairallah [193] et Martin [194] avancent que l’extinction brutale du laser,

même à vitesse constante est à l’origine des cavités formées et occasionne des fermetures du capillaire sous l’effet des forces hydrodynamiques en zone fondue. Si la vitesse de solidification est trop importante, le gaz présent au fond de la cavité n’aura pas le temps de remonter à la surface avant de se retrouver piégé dans le matériau solide. Une solution proposée par Martin [194] est d’appliquer une rampe de puissance aux extrémités des cordons en mode delay, de manière à équilibrer la quantité d’énergie fournie au matériau.