Microstructure

1.3.2.1 Microstructures typiques du Ti-6Al-4V

La microstructure de l’alliage de titane Ti-6Al-4V d´epend fortement de la m´ethode de fabrication et des traitements thermiques appliqu´es. La figure 1.6 montre les trois principaux types de microstructures rencontr´es sur cet alliage [79].

— Dans la structure bimodale (figure 1.6a), les grains gris correspondent `a la phase α et les autres grains correspondent `a des lamelles α dans une phase β. L’´epaisseur des grains d´epend des vitesses de refroidissement et des temp´eratures des traitements thermiques.

— La structure lamellaire (figure 1.6b) correspond `a une phase lamellaire α (en gris) dans une phase β (en noir). L’´epaisseur des lamelles d´epend des vitesses de refroidissement et des tem- p´eratures des traitements thermiques.

— La structure martensitique (figure 1.6c) est compos´ee d’une phase α′ en aiguille (en noir). Cette microstructure correspond `a un refroidissement rapide.

Figure 1.6 – Images optiques montrant les principaux types de microstructures du Ti-6Al-4V (a) structure bimodale, (b) structure lamellaire et (c) structure martensitique [7].

1.3.2.2 Microstructure du Ti-6Al-4V fabriqu´e par SLM

Suite `a la fabrication des pi`eces par le proc´ed´e SLM, la composition chimique de la mati`ere n’est quasiment pas modifi´ee par rapport `a celle de la poudre.

Apr`es attaque chimique, la microstructure laisse apparaˆıtre une forme colonnaire parall`ele `a l’axe de construction. Ces colonnes sont identifi´ees comme ´etant des grains primaires β. Lors de la fusion d’une couche, les couches directement inf´erieures sont refondues. C’est ainsi que l’on obtient ces grains allong´es primaires dans le sens de la fabrication des pi`eces (figure 1.7) [9].

Sur la face normale `a l’axe de construction, les traces de passage du laser sont visibles. Selon la strat´egie de fabrication, les traces sont diff´erentes, mais dans certains cas, des traces en « zigzag » sont form´ees (figure 1.7) [8].

(a) (b)

Figure 1.7 – Images optiques (a) d’une vue de dessus montrant les traces de passage du laser [8] et (b) d’une vue de cˆot´e d’un ´echantillon montrant les grains pr´eliminaires β allong´es [9].

Avec un grossissement plus ´elev´e, une structure martensitique form´ee par des aiguilles tr`es fines est observ´ee. Ces aiguilles sont identifi´ees comme ´etant une phase martensitique α′ (figure 1.8) contenue dans les grains pr´eliminaires β [63].

Cette phase apparaˆıt suite au refroidissement rapide des pi`eces. En effet, le passage du laser sur la surface implique un cycle thermique avec des refroidissements rapides. De plus, l’enceinte de fabrication ´etant `a temp´erature ambiante dans la plupart des cas, l’amplitude de temp´erature est ´elev´ee.

1.3.2.3 Effet des traitements thermiques

Quatre types de traitements thermiques sont r´epertori´es dans la litt´erature et ont ´et´e test´es sur le Ti-6Al-4V r´ealis´e par fabrication additive :

— Le traitement de relaxation des contraintes (593◦ C pendant 2 heures suivant la norme AMS 2801B [80]) ou de recuit (704◦ C pendant 2 heures [80] qui remet partiellement en solution la phase α′ dans la phase (α + β)).

Une microstructure tr`es l´eg`erement modifi´ee est alors obtenue (figure 1.9). Ce traitement est souvent appliqu´e avant de d´etacher les pi`eces du plateau de fabrication en SLM, afin de conserver la g´eom´etrie lors du d´ecoupage.

Dans la plupart des cas, les traitements pr´econis´es par la norme ne sont pas respect´es exacte- ment, mais les temp´eratures utilis´ees restent aux alentours de celles de la norme.

Figure 1.9 – Image MEB apr`es attaque chimique d’un ´echantillon apr`es traitement thermique `a 730◦C pendant 2h [10].

— Le traitement de mise en solution subtransus (typiquement 850 − 950◦C pendant 1h), c-`a-d en dessous de la temp´erature de mise en solution de la phase β. La phase α′ est alors remise en solution. Ce traitement est suivi d’une trempe (`a l’air, `a l’huile ou `a l’eau).

Une structure martensitique (refroidissement rapide) ou une structure lamellaire (refroidisse- ment lent) est observ´ee, suivant le type de refroidissement [9, 10].

— Le traitement de mise en solution supersolvus (typiquement 1000 − 1050◦C pendant 1h), c-`a-d au-dessus de la temp´erature de mise en solution de la phase β. La phase β ayant ´et´e remise en solution, les grains allong´es ne sont plus visibles sur le cˆot´e de la pi`ece, et des grains β ´equiaxes ont ´et´e form´es (figure 1.10a) [10]. Ce traitement est suivi d’une trempe (`a l’air, `a l’huile ou `a l’eau).

Une nouvelle structure martensitique est obtenue suite `a un refroidissement rapide (figure 1.10b). Comme pr´ec´edemment, dans le cas d’un refroidissement lent, une structure lamellaire est observ´ee, la phase α′ ayant totalement disparu.

(a) (b)

Figure 1.10 – Images d’´echantillon trait´e thermiquement `a 1050◦C pendant 1h puis refroidis `a l’eau : (a) micrographie optique montrant les grains ´equiaxes et (b) image MEB montrant la microstructure et les aiguilles α′ [10].

Dans la plupart des cas, un traitement de recuit (typiquement 750◦C `a 950◦C pendant 2h) avec un refroidissement `a l’air ou dans le four est effectu´e suite `a une mise en solution (subtransus ou supersolvus). Pour une temp´erature de recuit optimale, il permet de passer de la structure martensitique obtenue apr`es trempe `a l’eau, `a une structure lamellaire dans le cas du traitement subtransus et `a une structure bimodale dans le cas du traitement supersolvus [9, 63].

— Le traitement CIC pour Compression Isostatique `a Chaud (typiquement 900◦ C sous 1000 bars pendant 2h). La pression `a chaud permet d’´evacuer les porosit´es et d’obtenir des pi`eces plus denses. Apr`es ce traitement, une structure lamellaire est obtenue (figures 1.11 et 1.12), semblable `a celle obtenue apr`es traitement subtransus.

Ces quatre traitements thermiques sont les traitements habituels appliqu´es sur le Ti-6Al-4V. Certaines ´etudes apparaissent sur le d´eveloppement des nouveaux traitements thermiques ori- ginaux [81]. La r´ealisation d’un ou plusieurs de ces traitements thermiques est parfois indis- pensable pour assurer une bonne g´eom´etrie et de bonnes propri´et´es m´ecaniques des pi`eces fabriqu´ees.

Figure 1.11 – Images optiques montrant la microstructure du Ti-6Al-4V apr`es traitement CIC pour des ´echantillons fabriqu´es par SLM [11].

(a) (b)

(c) (d)

Figure 1.12 – Micrographies d’´echantillons SLM CIC dans diff´erentes directions et `a diff´erents gros- sissements [12].