1.2.1 Param`etres influant sur les propri´et´es m´ecanique et la tenue en fatigue
Dans chaque ´etape de la chaˆıne de fabrication, de nombreux param`etres peuvent influer sur les propri´et´es m´ecaniques. Ces ´etapes et les param`etres sont principalement :
— La poudre : distribution granulom´etrique, forme, coulabilit´e, composition chimique (teneur en oxyg`ene principalement), porosit´e, humidit´e [60][61]. Le choix de poudres de bonne qualit´e et sa conservation `a l’abri de l’humidit´e sont indispensables `a la fabrication de pi`eces saines. — La machine : ´epaisseur de couche, puissance du faisceau, vitesse de d´eplacement, strat´egie de
lasage (remplissage des pi`eces en damier, en ligne, changement de direction pour chaque couche), strat´egie de lasage des surfaces ext´erieures, positionnement de la pi`ece sur le plateau [62]. Le choix des param`etres de fabrication est particuli`erement important dans l’obtention de pi`eces de bonne qualit´e.
— Les post-traitements : nettoyage, polissage, traitements thermiques [10]. Ces traitements sont utilis´es afin d’am´eliorer les propri´et´es des pi`eces brutes de fabrication. Le bon choix et la bonne r´ealisation des post-traitements permettent d’obtenir des pi`eces de meilleure qualit´e. C’est sur cette ´etape de la fabrication que le concepteur peut le plus intervenir.
1.2.1.1 Rugosit´e des pi`eces
La rugosit´e des pi`eces r´ealis´ees par fabrication additive est plus importante qu’avec la plupart des proc´ed´es conventionnels. La rugosit´e arithm´etique moyenne (Ra) obtenue avec le proc´ed´e SLM est comprise entre 5 et 30 µm [63]. Les valeurs de la rugosit´e d´ependent, notamment, des param`etres de fabrication et de l’orientation de la surface [5].
La rugosit´e des pi`eces r´ealis´ees par fabrication additive ´etant par nature tr`es diff´erentes de celles obtenues par les proc´ed´es conventionnels, il est n´ecessaire de connaˆıtre son impact sur les propri´et´es m´ecaniques afin de concevoir et de pr´evoir les post-traitements qui seront ´eventuellement `a appliquer.
Figure 1.4 – Etat de surfaces issues du proc´ed´e SLM [5].
o`u
— Staircase effect : Effet d’escalier, — Dross : Scorie,
— Up-facing : Face sup´erieure, — Down-facing : Face inf´erieure,
— Build plateform : plateforme de fabrication.
1.2.1.2 Porosit´es dans les pi`eces
Les proc´ed´es de fusion sur lit de poudre m´etallique fonctionnent sur le principe de fusion puis solidification de la mati`ere. Il y a donc un risque d’apparition de d´efauts qui peuvent avoir un effet n´egatif sur les propri´et´es m´ecaniques et le comportement en fatigue [64].
Figure 1.5 – R´epartition des porosit´es dans les ´echantillons en Ti-6Al-4V, obtenues SLM et brutes de fabrication : a) section longitudinale et b) section transversale [6].
Ces d´efauts proviennent majoritairement des ph´enom`enes suivants :
— grains mal fusionn´es dus `a des ´ecarts du faisceau (acc´el´eration, d´eviation, perte de puissance) (figure 1.5a) [6].
— bulles (d’argon principalement) emprisonn´ees dans la pi`ece (figure 1.5b). Ce gaz peut avoir ´et´e enferm´e dans les poudres lors de leur atomisation ou dans le bain de fusion lors de la fabrication [6].
— d´efauts d’´etalement de la poudre ou li´es `a la pr´esence de scories.
— d´efauts provenant d’une surfusion du lit de poudre provoquant de trop grosses contraintes internes ou la vaporisation de certains ´el´ements [65].
De fa¸con g´en´erale, la densit´e relative des pi`eces obtenues par fabrication additive est tr`es bonne et d´epasse 99 %. L’impact de ces d´efauts peut ˆetre significatif sur les propri´et´es m´ecaniques et l’analyse de leurs effets est indispensable pour pr´evoir les m´ecanismes d’endommagement des pi`eces [66].
Deux types de porosit´e ont ´et´e largement rapport´es dans la litt´erature : les porosit´es sph´eriques et non sph´eriques. Les d´efauts sph´eriques sont des pores de gaz contenant de l’argon. Tammas-Williams et al. [67] ont montr´e que ces pores ´etaient d´ej`a pr´esents dans la poudre initiale.
Les autres d´efauts internes courants sont des manques de fusion. Ils sont dus `a un chevauchement important entre les couches [64] ou `a une sous-fusion [68], qui peut ˆetre caus´ee par des param`etres de processus imparfaits ou des strat´egies de fusion. Ces derniers d´efauts sont la plupart du temps plus gros que les pores de gaz.
Tammas-Williams et al. [67] ont montr´e que la strat´egie de fusion avait un impact important `a la fois sur la densit´e des d´efauts et sur leur distribution spatiale. Pour des param`etres de processus optimis´es, la fraction volumique des pores est extrˆemement limit´ee (toujours < 0.1 %) et tr`es peu de d´efauts de manque de fusion sont d´etect´es.
1.2.1.3 Contraintes r´esiduelles
Dans le cas de Ti-6Al-4V, on peut lib´erer les contraintes r´esiduelles en traitant thermiquement les ´eprouvettes par un recuit en dessous du β-transus. Si ce traitement thermique a une influence mod´er´ee sur la dur´ee de vie en fatigue, celui-ci augmente le seuil de propagation des contraintes ∆Kth.
fonction de la direction d’empilement des couches. D’une mani`ere g´en´erale c’est la direction Z qui pr´esente les param`etres les moins avantageux pour la dur´ee de vie en fatigue et la vitesse de propagation des fissures (grains plus long, porosit´es plus nombreuses...). Une fissure perpendiculaire aux couches propagera donc plus difficilement qu’une fissure parall`ele aux couches [69].
1.2.2 Post-traitements
1.2.2.1 Rugosit´e
La rugosit´e induit des concentrations de contraintes en surface qui peuvent entraˆıner des ruptures pr´ematur´ees dans certaines pi`eces sollicit´ees en fatigue. A part l’usinage, des proc´ed´es de polissage ont ´et´e d´evelopp´es pour am´eliorer la rugosit´e. Le plus classique est le sablage, mais d’autres proc´ed´es peuvent permettre d’am´eliorer davantage la surface (micro-billage, tribofinition, polissage chimique, plusieurs passages de laser, utilisation de poudre plus fine).
1.2.2.2 Porosit´e
Le traitement CIC pour Compression Isostatique `a Chaud (ou HIP pour Hot Isostatic Pressing) permet de r´eduire, voire ´eliminer les porosit´es internes (manques de fusion ou gaz pi´eg´e au cours du processus d’atomisation) [70]. Ce proc´ed´e thermom´ecanique consiste en une ´el´evation de temp´erature de 300◦C/h suivie d’un recuit de 2h `a 920◦C sous une pression de 1020 bars imm´ediatement suivie d’un refroidissement naturel au four (la temp´erature baisse en dehors de 150◦C apr`es 3h).
1.2.2.3 Contraintes r´esiduelles
Les forts gradients thermiques lors du proc´ed´e SLM entraˆınent des contraintes r´esiduelles dans le volume [71]. Ces contraintes r´esiduelles sont maximales en surface et la contrainte normale peut atteindre jusqu’`a 600 MPa [72, 73].
Afin de les minimiser pendant la fabrication et ainsi r´eduire la d´eformation des pi`eces lors de la fabrication ou lors du retrait des supports, il convient d’´eviter les gradients de surfaces las´ees et de placer suffisamment de supports. Apr`es fabrication, on peut r´ealiser :
— Les traitements d’adoucissement : Pour le Ti-6Al-4V, ce traitement consiste en un maintien `a une temp´erature situ´ee en dessous du βtransus, g´en´eralement entre 600 et 800◦C pendant 2 `a
4 heures [69, 74, 75], suivi d’un refroidissement lent.
Les traitements autour de 600◦C correspondant `a un simple d´etensionnement et les traitements autour de 800◦C `a un recuit [76]. Le recuit, tout comme le traitement de d´etensionnement, per- met la relaxation des contraintes r´esiduelles. De plus, il entraine la stabilisation en temp´erature de la phase β, ce qui est n´ecessaire pour l’utilisation ”`a chaud” de l’alliage [76].
Les traitements d’adoucissement sont actuellement syst´ematiquement effectu´es sur les pi`eces fabriqu´ees par SLM, avant de les s´eparer de la plateforme de fabrication.
— Les traitements thermiques subtransus et supertransus : Les traitements thermiques subtransus (`a des temp´eratures inf´erieures au βtransus) et supertransus (`a des temp´eratures sup´erieures au βtransus) sont utilis´es afin de modifier la microstructure de la pi`ece obtenue et donc ses propri´et´es m´ecaniques [18, 76].
Les traitements subtransus ne permettent pas de modifier la forme des ex-grains β qui gardent une structure colonnaire, contrairement aux traitements supertransus qui permettent d’´eliminer cette anisotropie microstructurale [9, 18].