Chapitre 1 Revue de littérature
1.8 Les matériaux étudiés
La présente section a pour but d’informer le lecteur sur les différents matériaux étudiés au cours du mémoire de maîtrise. Ainsi, une brève description des caractéristiques, des applications et des propriétés principales des alliages d’aluminium, de titane et d’acier inoxydable seront présentées. Une section dédiée spécifiquement à l’utilisation de ces matériaux en FA est aussi présente.
Les alliages d’aluminium
L’aluminium et ses alliages sont très utilisés aujourd’hui dans bon nombre d’applications notamment pour leur formabilité, leur résistance à la corrosion et leurs excellentes propriétés mécaniques spécifiques. Tout dépendamment de leur composition chimique, ces alliages peuvent présenter une gamme étendue de propriétés mécaniques et physiques. Une des applications principales de l’aluminium est l’allègement de véhicules de transport autant terrestre, maritime qu’aérien. En effet, certains alliages permettent d’obtenir les mêmes propriétés mécaniques que d’autres alliages d’acier par exemple, tout en ayant une masse environ trois fois moins importante.
Bien qu’il existe plusieurs nomenclatures pour identifier ces alliages, celle qu’a développée « The Aluminum
Association » est la plus populaire en Amérique du Nord. Cette dernière classe les alliages d’aluminium en
deux grandes catégories : 1) les alliages corroyés dont font partie les séries 1xxx à 9xxx et 2) les alliages de fonderie dont font partie les séries 1xx à 9xx. C’est le principal élément d’alliage qui distingue une série d’alliages d’une autre. Par exemple, le cuivre est le principal élément d’alliage de la série 2xxx tandis que le manganèse est l’élément d’alliage principal de la série 3xxx.
Les séries d’alliages d’aluminium peuvent aussi être subdivisées en fonction de leur sensibilité à différents traitements destinés à améliorer leurs propriétés mécaniques. En effet, pour les alliages corroyés, la série 1xxx, 3xxx, 4xxx, 5xxx et les alliages de la série 8xxx contenant du fer et du nickel sont très sensibles au durcissement par écrouissage. Les autres séries quant à elles sont sensibles au durcissement structural par précipitation. Les alliages de fonderie des séries 2xx, 3xx et 7xx sont également sensibles au durcissement structural par précipitation [55].
L’AlSi7Mg
Par soucis de pertinence avec le projet de maîtrise, cette section s’attardera plus en détails à l’alliage d’aluminium de fonderie AlSi7Mg puisqu’une poudre de cette composition a été utilisée tout au long des expérimentations en laboratoire.
L’alliage d’aluminium de fonderie AlSi7Mg fait partie de la série d’alliages d’aluminium la plus populaire en fonderie. En effet, la série 3xx représente près de 90% des pièces d’aluminium coulées en industrie [55]. Ce dernier est sensible au durcissement structural par précipitation. Cet alliage possède une masse volumique théorique de 2.68 g/cm3 une température de solidus de 555 °C et une température de liquidus de 615 °C [56].
Table 1-2 : Composition chimique et tolérances de l’AlSi7Mg [57].
Si
Mg
Cu
Mn
Fe
Zn
Ti
Autres (seul)
Autres (tous)
Al
Fraction
massique (%)
6,5 à 7,5
0,4 à 0,7 ˂0,20 ˂0,10 ˂0,2 ˂0,1
0,1 à 0,2
˂0,05 ˂0,015 Balance
Les propriétés mécaniques principales typiques de barres tests d’AlSi7Mg coulées séparément en moule au sable et en moule permanent en fonction du traitement thermique effectué sont présentées au Tableau 3. Les propriétés typiques d’A356 dans la condition tel que coulé selon l’ASM y sont aussi présentées. En effet, après consultation de la littérature, il n’a pas été possible de cibler les propriétés typiques de l’AlSi7Mg dans sa condition tel que coulée. Toutefois, la différence principale entre l’AlSi7Mg et l’A356 est la fraction massique de magnésium, qui joue un rôle important dans la formation de précipité Mg2Si lors du vieillissement
artificiel de l’alliage. Il est donc posé comme hypothèse qu’il ne devrait pas y avoir une très grande différence de propriétés mécaniques entre les deux alliages dans la condition tel que coulée.
Table 1-3 : Propriétés mécaniques minimales de pièces d’AlSi7Mg coulées selon le traitement thermique ainsi que les propriétés mécaniques typiques de l’A356 dans sa condition tel que coulée. Résistance en traction (Rm), limite élastique (Re0,2) et allongement après rupture (All).
Traitement
thermique
Rm(MPa)
Re0,2(MPa) All(%)
Moule permanent [57]
T61-1
*317
248
3
T61-10
283
214
3
Moule au sable [57]
T62-1
310
214
3
T62-2
345
276
5
T62-10
262
193
5
Propriétés typiques de l’A356 tel que coulée [58]
Aucun (F)
159
83
6
*Les indices 1 et 2 font références aux classes 1 et 2 désignant des zones cruciales des
pièces coulées. L’indice 10 fait référence à la classe 10 désignant toutes les zones des pièces coulées.
Les alliages d’aluminium en FA
Il n’a pas fallu attendre bien longtemps avant que des chercheurs s’intéressent à la conception de pièces d’aluminium avec les technologies de FA. En effet, plusieurs travaux de recherches ont été conduits sur ce sujet afin de caractériser les propriétés mécaniques ainsi que la microstructure des alliages d’aluminium qu’il est possible d’obtenir avec ces nouvelles technologies de mise en forme. Toutefois, la grande majorité de celles-ci se sont penchées sur les technologies de PBF et sur la nuance d’aluminium AlSi10Mg. Même si le présent mémoire de maîtrise porte plutôt sur la technologie de DED et sur la nuance d’aluminium AlSi7Mg, les grandes lignes de ces travaux de recherches seront tout de même présentées à titre d’information dans
les lignes qui suivent. En effet, il est toujours pertinent de connaître ce qui s’est fait de similaire en termes de recherche, et qui plus est, les deux procédés et les deux nuances de poudre demeurent relativement similaires.
Rosenthal et al. ont étudié la microstructure et les propriétés mécaniques d’échantillons d’AlSi10Mg créé avec la technologie de Selective Laser Melting (SLM) [59]. Ils ont notamment trouvé que les gradients de température importants induits par le procédé ont favorisé la création d’une microstructure très fine caractérisés par des dendrites cellulaires. Une forte anisotropie des propriétés mécaniques des échantillons étaient aussi présente. L’allongement à la rupture de leurs échantillons étaient significativement supérieur à l’allongement à la rupture typique d’échantillons obtenus par fonderie.
Buchbinder et al. ont conduit une étude très semblable sur les propriétés mécaniques de pièces d’AlSi10Mg produites par SLM [60]. L’équipe de chercheurs a notamment réussi à construire des échantillons présentant une masse volumique de plus 99,5% de celle théorique. La dureté moyenne de leurs échantillons était de 145 HV et la résistance en traction moyenne d’environ 400 MPa.
Brandl et al. ont étudié la résistance en fatigue et le mode de rupture d’échantillons d’AlSi10Mg conçus par SLM [61]. Ils ont noté une microstructure constituée de dendrites de type cellulaire de phase α présentant de fines particules de silicium entre celles-ci. Ils ont conclu que la température de préchauffage de l’enceinte d’impression et la direction principale d’impression ont un effet important sur la résistance en fatigue des échantillons. En effet, la résistance en fatigue des échantillons créés selon les directions principales de 45˚ et 90˚ dans une enceinte préchauffée à 300˚C est nettement supérieure à celle d’échantillons produits selon les mêmes directions dans une enceinte à température ambiante.
De par la popularité des technologies de PBF, rares sont les articles portant sur la FA d’alliage d’aluminium avec la technologie de DED. Toutefois, de plus en plus d’articles sur le sujet surgissent d’années en années. Dinda et al. ont conduit une étude sur l’évolution de la microstructure de pièces à parois minces d’Al-11.28% Si conçues avec un appareil maison reposant sur la technologie de DED [62]. L’équipe a testé deux stratégies de déposition distinctes; 1) déposition de type unidirectionnelle et 2) déposition de type va-et-vient. À l’aide d’analyses faites au DRX, à l’EBSD, au microscope optique ainsi qu’au microscope électronique à balayage, l’équipe de chercheurs a démontré plusieurs faits intéressants. En effet, grâce au DRX, les chercheurs ont montré que les échantillons construits présentaient une forte direction de croissance primaire des dendrites selon la direction < 100 >. Avec l’EBSD, ils ont pu distinguer l’effet de la stratégie de déposition sur la texture des pièces. La première stratégie de déposition a induit une texture fibre tandis que la seconde stratégie de déposition a plutôt induit une « Rotated Cube Texture ». Finalement, à l’aide de microscopes, l’équipe a pu
noter un phénomène fort intéressant présent dans les premières couches déposées. En effet, une succession de bandes caractérisées par l’alternance d’une structure microcellulaire très fine et d’une microstructure dendritique plus grossière était observable dans les 10 premières couches. Les chercheurs ont attribué ce phénomène à la nature intermittente du système contrôlant le laser qui arrête à toutes les 20 millisecondes. Le phénomène n’est plus décelable au-delà des 10 premières couches puisque le taux de refroidissement n’est alors plus assez important. Leurs observations tendent à démontrer qu’il serait possible de contrôler la texture et la microstructure finale de manière précise en employant les bons paramètres d’impression et la bonne stratégie de déposition.
Récemment, Javidani et al. ont étudié la microstructure et la dureté d’échantillons d’AlSi10Mg dans leur condition tel que fabriqué par DED [63]. L’équipe de chercheurs basée à l’université McGill a ainsi pu observer la variation de la microstructure et de la dureté en fonction de la distance de la plaque de base. En effet, ceux- ci ont constaté que la microstructure évolue d’une structure cellulaire très fine près de la plaque de base jusqu’à une structure dendritique de nature équiaxe au sommet. Toutefois, la structure de solidification dominante à travers tous l’échantillon se présente plutôt sous la forme de dendrites allongées. Pour ce qui est de la dureté, celle-ci passe d’environ 65 HV près du substrat à 59 HV au cœur de la pièce pour finir vers les 53 HV au sommet de celle-ci et concorde avec la taille de la microstructure. Les chercheurs ont attribué la variation de la taille de la microstructure à la variation du taux de refroidissement du bain de fusion lors de la construction de la pièce, ce dernier passant d’environ 4 000 K/s près du substrat jusqu’à environ 855 K/s au sommet de la pièce. Les échantillons conçus par l’équipe de chercheurs présentent une masse volumique équivalent à 99,6% de la masse volumique théorique prouvant ainsi la possibilité de créer des pièces d’AlSi10Mg de très bonne qualité avec le procédé de DED.
Les alliages de titane
Tout comme pour l’aluminium, le titane et ses alliages sont utilisés dans bon nombre d’applications notamment pour leurs excellentes propriétés mécaniques spécifiques et leur résistance à la corrosion. Cependant, à l’égard des alliages d’aluminium, les alliages de titane conservent leurs propriétés mécaniques sur une grande plage de température pouvant s’étendre jusqu’à 600 °C. Ces caractéristiques rendent son utilisation très intéressante pour l’allègement de structure, notamment dans le domaine de l’aéronautique pour des applications à haute température. Toutefois, les alliages de titane sont plus dispendieux que certains alliages d’aciers et d’aluminium [4].
De par son importante réactivité avec l’oxygène, il est difficile de mettre en forme ce métal par fonderie conventionnelle. En effet, pour prévenir son oxydation, il faut effectuer les opérations de fonte dans un montage sous atmosphère inerte sous vide. Ces systèmes sont naturellement beaucoup plus dispendieux
que ceux nécessaires à la fonderie conventionnelle. Les pièces de titane sont donc généralement usinées à partir d’une pièce mère communément appelée « brute d’usinage » prenant souvent la forme d’un cube. Tel qu’abordé précédemment dans la section Économique, une grande partie de la masse de ces pièces mères est perdue inutilement sous la forme de copeaux d’usinage avant d’obtenir la pièce voulue.
La structure cristalline du titane et de ses alliages se présentent sous deux formes distinctes. Elle est hexagonale compacte (α) à température pièce et cubique centré (β) au-delà d’une température de transition. Cette dernière varie en fonction de la composition de l’alliage et est d’environ 882 °C pour le titane pur. C’est la présence de ces deux structures α et β qui permettent aux alliages de titane d’atteindre une large gamme de propriétés physiques et mécaniques [64].
Les alliages de titane sont souvent classés en fonction de leurs structures cristallines. On retrouve ainsi les alliages α, les α+β et les β. L’addition d’éléments d’alliages en différentes quantités permet l’obtention de ces structures très différentes. En effet, ces éléments d’alliages sont classés comme stabilisateur de la structure cristalline α ou β. L’aluminium par exemple est un élément stabilisateur de la phase α. Ce sont les alliages α+β qui sont les plus répandus.
Le Ti-6Al-4V
Dans le but de rester pertinent envers le mémoire de maîtrise, les prochaines lignes décriront davantage les particularités propres à l’alliage de titane Ti-6Al-4V.
Le Ti-6Al-4V est de loin l’alliage de titane le plus populaire sur le marché. En effet, cet alliage de la famille α+β représente plus de 50% de tous les alliages de titane utilisés aujourd’hui. Cet alliage tire profit de la présence de ces deux phases distinctes qui lui accordent d’excellentes propriétés autant mécaniques que physiques. L’ajout d’aluminium agit comme stabilisateur de la phase α tandis que le vanadium stabilise la phase β à température pièce. Comme son appellation le suggère, les fractions de ces éléments d’alliages sont de 6% et 4% massique respectivement ce qui lui confère une masse volumique de 4,43 g/cm3. Ses
propriétés mécaniques statiques typiques par mise en forme conventionnel et par FA sont présentées au tableau 4 suivant [65] [66]. Il est possible de voir que la limite élastique ainsi que la limite en traction des échantillons créés par FA sont supérieures aux propriétés mécaniques typiquement observées des pièces conventionnelles. L’élongation est toutefois nettement inférieure.
Table 1-4 : Propriétés mécaniques typiques du Ti-6Al-4V selon la méthode de mise en forme
Technologie
UTS (Mpa)
YS (Mpa)
El (%)
Conventionnel
900-1200
800-1100
13-16
DED
1025-1163
950-1105
1-11
PBF
1035-1321
910-1166
2-10
Les alliages de titane en FA
Les alliages de titane sont reconnus comme étant l’une des familles de matériaux les plus étudiés en FA. En effet, tel que mentionné dans la section « Intérêt de la FA », c’est principalement l’industrie aéronautique qui a propulsée et popularisée cette nouvelle technologie de mise en forme. Cette industrie voyait un énorme potentiel pour créer des pièces à géométrie complexe notamment composées de matériaux difficiles et couteux à mettre en forme tel que le titane. Conséquemment, une grande quantité d’articles et de projets de recherche ont été conduits sur ce matériel, tout particulièrement sur le Ti-6Al-4V, au cours des dernières années. Certains des plus pertinents envers le présent mémoire de maîtrise seront décrits dans les prochaines lignes.
Wu et al. ont étudié l’effet des paramètres de déposition d’une machine DED LENS sur la microstructure de pièces de Ti-6Al-4V en 2003 [67]. L’équipe de chercheurs a notamment décrit les microstructures obtenues comme étant colomnaires et influencées par la direction de l’extraction de la température pour de basses puissance de laser. En effet, ces grains colomnaires présentaient une orientation préférentielle dans la direction de construction, perpendiculaire à la plaque de base. En employant une puissance de laser maximale, les chercheurs ont obtenu une microstructure majoritairement composée de grains équiaxes. De plus, une vitesse de déplacement des axes élevée combinée à un haut débit de poudre résultait en une microstructure plus fine.
Plus récemment, Carroll et al. ont étudié l’anisotropie des propriétés mécaniques en tension de pièces de Ti- 6Al-4V mise en forme par DED [68]. Ceux-ci ont notamment trouvé que l’allongement des pièces dépendait fortement de l’axe de la contrainte en tension appliquée. En effet, l’allongement était significativement plus élevé le long de la direction transverse que de la direction longitudinale des pièces imprimées. La résistance ultime ainsi que la limite élastique des échantillons ne dépendaient pas de cette direction. Ils ont aussi noté une microstructure plus fine près de la plaque de base que loin de celle-ci aux cœurs des échantillons. Finalement, une de leurs plus importantes observations est qu’ils ont réussi à mettre en forme des échantillons ayant des propriétés mécaniques similaires au Ti-6Al-4V corroyé sans traitement thermique en employant un appareil de FA de type DED.
Les alliages d’acier inoxydable
Les aciers inoxydables sont reconnus et particulièrement utilisés pour leur excellente résistance à la corrosion et leurs propriétés mécaniques. C’est la présence d’un minimum de 10,5% de chrome qui forme un oxyde protecteur en surface qui permet d’obtenir cette résistance sur une grande gamme de température, autant froide que chaude. Ces aciers sont utilisés dans plusieurs domaines différents notamment dans l’industrie de
la transformation alimentaire, l’industrie sanitaire et différentes usines produisant des produits chimiques ou du pétrole par exemple.
Les aciers inoxydables sont divisés en 6 catégories distinctes selon leur composition chimique. Il y a les aciers inoxydables ferritiques, austénitiques, martensitiques, duplex et ceux à durcissement par précipitation. La figure 15 présente un graphique présentant les principales structures d’acier inoxydable en fonction de leur proportion de nickel et de chrome équivalent.
Figure 1-15 : Diagramme de Schaeffler présentant les classes d’acier inoxydable en fonction du nickel et du chrome
Les aciers inoxydables ferritiques sont presque exclusivement alliés à l’aide de chrome variant entre 10,5% à 30% massique. Ces aciers sont ferromagnétiques et présentent une résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques limitées à haute température. Le grade 430 est l’alliage de base de ce type d’acier. Les aciers inoxydables austénitique sont principalement alliés avec du nickel (35% max) et du chrome (16% à 26%) et présentent d’excellentes propriétés mécaniques notamment pour des applications cryogéniques. Parmi ceux-ci, on retrouve le grade standard 304 et le 316 qui a été le sujet d’un projet au cours de cette maîtrise.
Les aciers inoxydables martensitiques sont quant à eux alliés avec plus de carbone (1.2%) et moins de chrome (10,5% à 18%) que les autres alliages. Comme le sous-entend leur appellation, leur structure cristalline est martensitique dans leur condition d’utilisation. Ces aciers sont ferromagnétiques et ont une résistance à la corrosion limitée. Le grade standard de cette famille est le 410.
Comme l’indique leur appellation, les duplex sont des aciers présentant à la fois une structure cristalline ferritique et austénitique. La proportion de chacune des structures est fonction des éléments d’alliage comme il est possible de le voir sur la figure 15. Ces aciers permettent d’obtenir un mélange intéressant de propriétés mécaniques et physiques des deux autres familles. Parmi ceux-ci, l’alliage 2205 est le plus populaire. La nature des alliages à durcissement par précipitation permet d’obtenir d’importantes propriétés mécaniques. Ceux-ci sont majoritairement alliés avec du chrome et du nickel en plus d’autres éléments favorisant la formation de précipités lors de traitements thermiques tels que le cuivre ou le niobium. Le 15-5 PH et le 17-4 PH font partie de cet ensemble d’alliages.
L’acier inoxydable 316L
L’acier inoxydable 316L est une variante de l’acier inoxydable austénitique 316 présentant moins de carbone pour faciliter les opérations de soudage. Cette stratégie permet d’éliminer la précipitation de carbures de chrome aux joints de grains dans la zone affectée thermiquement et ainsi d’éviter la sensibilisation de la pièce et la formation de fissures intergranulaires [70]. Au cours du projet, une autre variante contenant plus de silicium a été utilisée; le 316L-Si. Ce dernier comprend environ 2,3% massique de silicium [71] contrairement au 316L standard qui en comprend généralement 1% [72]. Cette quantité de silicium plus élevée permet de réduire l’écart de température entre le liquidus et le solidus de l’alliage réduisant ainsi la propension à la fissuration à chaud de l’alliage et facilite sa fusion complète. Ces deux stratégies d’alliages sont très intéressantes étant donné la technologie de fabrication étudiée dans ce mémoire. En effet, la FA par DED revient essentiellement à mettre en forme une pièce par des étapes de soudage répétées. Il est donc impératif de contrôler le mieux possible les différents phénomènes pouvant entraîner des défauts dans les pièces suite