Réparation de pièces et développement de matériaux à gradients fonctionnels à l'aide de la déposition sous énergie dirigée

Réparation de pièces et développement de matériaux à

gradients fonctionnels à l’aide de la déposition sous

énergie dirigée

Mémoire

Louis Simoneau

Maîtrise en génie des matériaux et de la métallurgie - avec mémoire

Maître ès sciences (M. Sc.)

Réparation de pièces et développement de matériaux à

gradients fonctionnels à l’aide de la déposition sous

énergie dirigée

Mémoire

Génie des Matériaux et de la Métallurgie

Louis Simoneau

Sous la direction de :

Résumé

La fabrication additive regroupe une famille de procédés de mise en forme des métaux permettant la fabrication de pièces à géométrie complexe qui n’étaient pas réalisables auparavant. Selon l'industrie, cette nouvelle technologie est intéressante au niveau économique et au niveau des nouvelles possibilités de conception de pièces que celle-ci rend maintenant possible. Parmi les nombreux procédés de fabrication, la Déposition sous Énergie Dirigée (DED) se distingue des autres technologies de fabrication additive par sa méthode de déposition de matière particulière. Utilisant une puissante source d’énergie sous la forme d’un laser, d’un faisceau d’électrons ou d’un arc plasma, celle-ci permet de créer des pièces en 3 dimensions à l’aide de poudre ou de fil d’apport. La DED est notamment reconnue pour sa capacité à réparer des pièces de manière efficace et sa facilité à créer des pièces présentant des gradients de composition chimique. Ces deux applications particulières ont fait l’objet de trois projets de recherche distincts qui composent ce mémoire de maîtrise. Le premier s’intéresse aux propriétés mécaniques de composites à matrice métalliques d’alliage de titane Ti-6Al-4V renforcés à l’aide de carbures de tungstène conçus à l’aide d’un appareil de type DED. Le second explore les propriétés mécaniques et la microstructure de pièces d’acier inoxydable 316L-Si entièrement construites et réparées avec un appareil DED. Finalement, le dernier ouvrage s’intéresse aux propriétés mécaniques et à la microstructure de pièces d’alliage d’aluminium AlSi7Mg entièrement construites et réparées grâce à la DED.

Abstract

Additive Manufacturing (AM) is a novel manufacturing process that allows the creation of complex shaped metallic parts from scratch in a layer-by-layer fashion conversely to conventional subtractive processes. This new technology is interesting for many manufacturing industries since it can enable significant cost savings and allows the creation of completely new and more efficient designs that were not achievable before. Directed Energy Deposition (DED) is a sub-category of AM processes that set itself apart from the others with its clever deposition process design. Using a high-density energy source such as an electron beam, a laser or a plasma arc, this process melts feedstock in powder or wire form onto a base plate the create a dense deposit and a final part in an iterative way. Thanks to its deposition process, DED apparatuses can create Functionally Graded Materials (FGM) parts exhibiting varying mechanical or physical properties within their volume and repair defective or broken parts. These two main applications were the subject of three different studies that are presented in this master’s thesis. In the first one, complex shaped Ti-6Al-4V Metal Matric Composites (MMC) reinforced with different fraction of tungsten carbides (WC) created with a DED apparatus were studied in terms of mechanical behavior and wear properties. The next paper looked at tensile properties and microstructure of completely built and repaired 316L-Si stainless steel parts with DED. Finally, the last one studied the microstructure and the mechanical properties of entirely built and repaired AlSi7Mg parts using DED.

Table des matières

Résumé ... ii

Abstract ... iii

Table des matières ... iv

Liste des figures ... viii

Liste des tableaux ... xi

Remerciements ... xiii

Avant-propos ... xiv

Introduction ... 1

Les 4 grandes étapes de la FA ... 1

Création du fichier numérique ... 1

Traitement du fichier STL ... 2

Sélection des derniers paramètres et impression de la pièce ... 2

Post-traitements et utilisation de la pièce ... 2

Intérêt de la FA ... 3

Économique ... 3

Conception ... 4

Références ... 6

Chapitre 1 Revue de littérature ... 9

1.1 La Déposition sous Énergie Dirigée ... 9

Le procédé général ... 9

Les sources d’énergie et le matériel d’apport ... 10

1.2 Applications ... 12

Réparation de pièces ... 13

Pièces à gradient de composition... 14

1.3 Les défauts structuraux ... 19

1.4 Le système LENS ... 22

Principaux paramètres d’impression ... 23

Paramètres du laser ... 26

Paramètres liés au gaz ... 27

1.5 Effets des paramètres d’impression ... 28

1.6 Stratégie d’élaboration des paramètres d’opérations ... 30

1.7 Les systèmes de Fabrication Additive par projection de liant ... 31

1.8 Les matériaux étudiés ... 32

Les alliages d’aluminium ... 33

Les alliages de titane ... 36

Les alliages d’acier inoxydable ... 38

Références ... 42

Chapitre 2 Tensile and Wear Properties of WC reinforced Ti-6Al-4V metal matrix composites Produced by Directed Energy Deposition ... 51

2.1 Résumé ... 51

2.2 Abstract ... 51

2.3 Introduction ... 53

2.4 Experimental procedures ... 56

Generating the printing code ... 56

Samples fabrication ... 56

Samples preparation ... 57

Tensile test ... 58

Wear resistance test ... 58

Hardness test ... 58

Microstructural characterization ... 58

2.5 Results and Discussion ... 59

Particles characterization ... 59 Tensile properties ... 59 Fracture Analysis ... 61 Wear properties ... 63 Wear surfaces ... 64 Microstructure ... 65 2.6 Conclusion ... 67

Acknowledgement ... 67

References ... 68

Chapitre 3 Tensile Properties of built and rebuilt/repaired specimens of 316L-Si stainless steel using Directed Energy Deposition... 70 3.1 Résumé ... 70 3.2 Abstract ... 70 3.3 Introduction ... 71 3.4 Experimental procedures ... 73 Samples fabrication ... 73 Samples preparation ... 75 Tensile test ... 75 Porosity characterization ... 75 Microstructural characterization ... 76 Grain characterization ... 76 Powder characterization ... 76 3.5 Results ... 77 Powder characterization ... 77 Tensile properties ... 77 Microstructure ... 80

EBSD and grain size ... 83

3.6 Discussion ... 85

3.7 Conclusion ... 87

Acknowledgement ... 88

References ... 89

Chapitre 4 Tensile Properties and Microstructural Characterization of entirely built vs. repaired AlSi7Mg specimens made by Directed Energy Deposition ... 92

4.1 Résumé ... 92

4.2 Abstract ... 92

4.3 Introduction ... 94

4.4 Experimental procedures ... 96

Samples construction ... 97

Mechanical Testing ... 98

Microstructural characterization ... 98

Grain characterization ... 98

Powder characterization ... 98

4.5 Results and Discussion ... 99

Powder characterization ... 99

Porosity.. ... 99

Microstructure ... 100

Grain size and EBSD characterization ... 103

Mechanical properties characterization ... 105

4.6 Conclusion ... 111 Acknowledgement ... 111 References ... 112 Conclusion ... 116 Travaux futurs ... 117 Bibliographie générale ... 118

Liste des figures

Figure 1 : Seuil de rentabilité de la FA (SLS) vs. le moulage sous haute pression (HPDC) pour la production de trains d’atterrissage d’aéronefs. Adaptée de [8]. ... 4 Figure 2 : Supports repensés pour la FA grâce à l’optimisation topologique. Charnière de nacelle de l’airbus A320 (gauche) [15]. Ancienne conception pour la coulée d’acier (arrière) et nouvelle conception en titane par FA (avant). Support pour l’airbus A380 (droite). Ancienne conception (arrière) et nouvelle conception pour la FA (avant) [16]. ... 5 Figure 1-1 : Schéma d’un système DED laser/poudre typique. HD: Hatch Distance, LT: Layer Thickness, HS: Hatch Shrink. ... 10 Figure 1-2 : Principaux systèmes de FA par Déposition sous Énergie Dirigée (compagnie, modèle-type). a) Sciaky, EBAM - faisceau d’électrons/fil [75] b) Trumpf, TruLaser Cell - laser/poudre [76] c) DMG Mory, LASERTEC - laser/poudre [77] d) WAAM – arc plasma/fil [78] e) BeAM – laser/poudre [79] f) Optomec, LENS – laser/poudre [80]. ... 11 Figure 1-3 : Comparaison entre les technologies de PBF (Powder Bed Fusion) et de DED en termes de taux de déposition et d’épaisseur de couches. Adaptée de [4]. ... 12 Figure 1-4 : Lames de turbines avant (gauche) et après réparation (droite). Adaptée de [9]. ... 14 Figure 1-5 : Différents exemples de pièces à gradient de composition chimique. a) - d) gradient classique, e) – f) matériaux composites. Adaptée de [13]... 15 Figure 1-6 : Délamination causée par la création de phases fragiles [13]. ... 16 Figure 1-7 : Diagramme de phase ternaire Ti-Al-V à 1023 K. Les zones hachurées en vert représentent des compositions propices à la formation d’intermallique fragiles. Adaptée de [12]. ... 16 Figure 1-8 : Diagramme ternaire isotherme fictif A-B-C. Adaptée de [13]. ... 17 Figure 1-9 : Nouvelle conception d’une buse de fusée présentant un gradient de composition chimique. a) - c). Modèles numériques. d) Pièces tel que fabriquée. e) Pièce finale une fois usinée. Adaptée de [13]. ... 17 Figure 1-10 : Nouveau concept d’une soupape automobile présentant un gradient de composition chimique. A) Modèle numérique. b) En cours de fabrication. c) Tel qu’imprimé d) –e) Pièces finales une fois usinées. Adapté de [13]. ... 18 Figure 1-11 : Exemples des défauts typiques observables dans les pièces conçues par DED. a) Manque de fusion. b) porosités gazeuses. Adaptée de [23]. ... 21 Figure 1-12 : Quelques exemples de stratégie de déposition. a) aucune alternance de direction de déposition. b) alternance de 90°. c) alternance de 60°. Adaptée de [31]... 24

Figure 1-13 : Fidélité géométrique d’une pièce cylindrique creuse selon la stratégie d’impression employée. a) Remplissage circulaire. b) Linéaire en alternance de 90°. c) Linéaire en alternance de 105°. Adaptée de [32]. ... 24 Figure 1-14 : Métallographies d’échantillons fait d’Inconel 718 construit par DED en fonction des stratégies d’impression 1 et 2. a) Déposition dans 1 sens. b) Déposition dans les 2 sens (va-et-vient). Adaptée de [33]. 25 Figure 1-15 : Diagramme de Schaeffler présentant les classes d’acier inoxydable en fonction du nickel et du chrome ... 39 Figure 2-1 : Simplified sketch of a common laser/powder DED system. HD: Hatch Distance, HS: Hatch Shrink, LT: Layer Thickness... 53 Figure 2-2 : Schematic representation of the different parts of pre-machined (exploded view) and final machined samples. ... 55 Figure 2-3 : Machined MMC Tensile specimens a) and wear sample b). ... 57 Figure 2-4 : Particles size distribution of a) Ti-6Al-4V and b) WC particles ... 59 Figure 2-5 : Average values of Yield Strength, Ultimate Tensile Strength and Elongation properties of tensile specimens in function of wt% WC. ... 61 Figure 2-6 : a) Low and b) high magnification BSE SEM image of the fracture plane of one of the 30-wt% WC tensile specimens. ... 62 Figure 2-7 : Average volume loss (mm3_{) in function of wt% WC. ... 63}

Figure 2-8 : Wear samples with a) 0-wt% WC b) 30-wt% WC content and SEM image taken in SE and BSE mode at 20x of their respective wear surface ... 65 Figure 2-9 : BSE SEM image taken at 370X of one of the 30-wt% WC tensile samples. ... 66 Figure 3-1 : Schematic representation of a typical Laser/Powder DED System. HD: Hatch Distance, HS: Hatch Shrink, LT: Layer thickness. ... 71 Figure 3-2 : Repairs setup within the LENS working chamber. ... 74 Figure 3-3 : Wrought specimens being repaired. ... 74 Figure 3-4 : Simplified schematic representation of the 5 different gage lengths made on each repaired tensile coupon. ... 75 Figure 3-5 : Particle size distribution of the 316L-Si powder used in the study. ... 77 Figure 3-6 : Average Yield Strength, Ultimate Tensile Strength and Elongation values of samples entirely built with the LENS system in function of heat treatment. ... 78 Figure 3-7 : Average tensile properties of repaired samples using the LENS system in function of heat treatment and wrought samples in their annealed state... 79 Figure 3-8 : Average elongation values for each gage length of the repairs. Gage lengths IDs are shown on Fig. 4. ... 80

Figure 3-9 : Mosaic image of the bottom part of one of the completely built, stress relieved and etched samples along the XZ plane. ... 81 Figure 3-10 : a) SE mode SEM image of the etched repaired region in its as-built condition. b) EDS Si Kα1 mapping with the linescan in white c) Mn Kα1 and Si Kα1 counts along the linescan. ... 82 Figure 3-11 : BSE SEM micrograph taken at the heart of one of the HIPed samples entirely built with the DED system. ... 82 Figure 3-12 : EBSD map with its inverse pole figure taken on the XZ plane along the X direction at 1 cm from the base plate of one of the completely built samples which underwent a HIP treatment. ... 83 Figure 3-13 : EBSD map taken on the XZ plane along the Y direction at 1 cm from the base plate of one of the entirely built samples in its as-built state. ... 84 Figure 3-14 : EBSD map taken on the XZ plane along the Y direction at the repair interface (---) of one of the repaired samples in the as-built condition. ... 84 Figure 4-1 : a) repair set-up inside the LENS 450 building chamber and b) from left to right; half simulated broken bracket, DED repaired bracket and completely cast bracket ... 97 Figure 4-2 : SEM SE image of the AlSi7Mg powder used ... 99 Figure 4-3 : Particle size distribution of the AlSi7Mg powder usedMetallurgical characterization ... 99 Figure 4-4 : SEM SE micrograph displaying lack of fusion (LOF) type and gas type porosities inside one of the tensile ... 100 Figure 4-5 : Cubic montage of typical microstructure at low magnification (left) and high magnification (right) of DED processed AlSi7Mg samples (etched) ... 101 Figure 4-6 : High magnification micrograph taken in the band region between two deposited tracks (etched)102 Figure 4-7 : From a) to f), EBSD images taken at 8, 24, 40, 56, 72 and 88 mm along the building direction of a complete tensile specimen built along the Z axis. ... 104 Figure 4-8 : Average grain size of a complete tensile specimen built along the Z axis vs. the distance from the base plate ... 105 Figure 4-9 : Average hardness values for different locations inside the 1st _{and 25}th _{layer of a shorter simulated}

tensile specimen built along the Z axis ... 106 Figure 4-10 : Micro (HV) and macro (HB) hardness profile done on the whole length of a completely constructed tensile specimens built along the Z axis ... 107 Figure 4-11 : Average tensile properties of entirely built (X and Z direction), cast and repaired samples ... 110 Figure 4-12 : Polished and etched tensile specimen taken along the Z direction of a DED repaired bracket before a) and after tensile testing b) ... 110

Liste des tableaux

Table 1-1 : Coefficient du modèle linéaire de chacun des paramètres étudiés sur les réponses analysées. ... 29

Table 1-2 : Composition chimique et tolérances de l’AlSi7Mg [57]. ... 34

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 (UTS), limite élastique (YS) et allongement après rupture (El). ... 34

Table 1-4 : Propriétés mécaniques typiques du Ti-6Al-4V selon la méthode de mise en forme ... 37

Table 1-5 : Propriétés mécaniques typiques de barres travaillées à chaud et recuites [72] ... 40

Table 2-1 : Process parameters used to construct the MMC specimens studied in this work. ... 57

Table 3-1 : Process parameters used to construct the 316L-Si specimens studied in this work. ... 73

Table 3-2 : Chemical composition of MetcoClad’s 316L-Si stainless steel powder used throughout the study (MetcoClad). ... 74

Table 4-1: Process parameters used to repair and build tensile specimens and repairs throughout the study 97 Table 4-2: Chemical composition of the AlSi7Mg powder used ... 97

Remerciements

Tout d’abord, je tiens à remercier M. Carl Blais, mon directeur de recherche, qui m’a donné la chance unique d’étudier un domaine aussi excitant et intéressant que la Fabrication Additive dans le cadre d’un projet de maîtrise. Je le remercie également pour tout le soutien qu’il m’a offert et pour la confiance qu’il m’a accordée tout au long de ce processus d’apprentissage. Je lui suis aussi éternellement reconnaissant pour les nombreuses opportunités de faire rayonner mes travaux de recherche à l’international dans le cadre de colloques et de conférences. J’ai énormément appris de mes participations à celles-ci et j’en garde d’excellents souvenirs.

Merci à Alexandre Bois-Brochu, codirecteur de mon mémoire, avec qui j’ai énormément appris sur le domaine de la recherche et du développement au cours de ma maîtrise. Je le remercie de m’avoir fait confiance et de m’avoir donné l’opportunité d’explorer le plein potentiel de la technologie de Déposition sous Énergie Dirigé dans le cadre de mon séjour au Centre de Métallurgie du Québec (CMQ). Ce fût un réel plaisir de travailler avec toi.

Je tiens à remercier le CMQ qui m’a tout d’abord accueilli en tant que stagiaire et par la suite en tant qu’étudiant de 2e _{cycle. Merci pour l’accès à leurs nombreux équipements de caractérisation, pour l’espace de travail et}

pour la chance de me développer dans un milieu de recherche industriel hautement stimulant. Je tiens aussi à remercier les employés du CMQ qui m’ont appuyé tout au long de mes recherches. Jean-Nicolas, Nicolas, Alexandre, Bernard, Hugues, Patrick, Caroline, François, j’ai beaucoup appris grâce à vous. Je me compte aussi extrêmement chanceux d’avoir effectué mes travaux de recherche au sein du partenariat entre M. Blais et le CMQ. Je suis persuadé que celui-ci fait partie de l’équation du succès que j’ai rencontré pendant mes études. Pour terminer, merci à ma famille et mes amis qui m’ont soutenu tout au long de ces dernières années. Merci pour leur temps et les bons moments passés en leur compagnie. Merci à Samuel, Alex, Jean-Nicolas, Nicolas et à tous les autres. Un merci tout spécial à Jeanny, ma conjointe, qui m’a soutenu et encouragé tout au long de ces années malgré la distance.

Avant-propos

Le but de ce mémoire de maîtrise intitulé « Réparation de pièces et développement de matériaux à gradients

fonctionnels à l’aide de la déposition sous énergie dirigée » est d’étudier les différentes applications uniques à

la DED afin de mieux comprendre les limites et le comportement de celles-ci. Les applications de création de pièces à gradients fonctionnels et de réparation de pièces ont fait l’objet d’études distinctes. Ultimement, ce mémoire se veut être une preuve de la pertinence et du grand potentiel de cette nouvelle technologie de mise en forme des métaux qui gagnerait à être utilisé en industrie.

Pour ce faire, trois projets de recherche ont été conduits sur ces applications. Le premier, intitulé « Tensile and

wear properties of complex shaped MMC specimens using Directed Energy Deposition », a exploré la capacité

de la DED à créer des pièces présentant des gradients de composition chimique dans le but de créer des matériaux composites à matrice métallique (MMC) de haute résolution. Une stratégie de déposition unique a été testée afin de créer des MMC facilement usinables afin d’obtenir une géométrie complexe finale. Pour ce faire, une matrice métallique de Ti-6Al-4V mélangée à différentes fractions de renforts de carbures de tungstène (WC) ont été testées. La microstructure, les propriétés mécaniques statiques en traction, la dureté ainsi que la résistance à l’usure de pièces ont été étudiées. Ces travaux ont prouvé l’efficacité de la stratégie développée et renforcé le fait que la DED est une excellente technologie pour la mise en forme de MMC à géométrie complexe. L’ajout de 10% massique de WC a permis d’obtenir la meilleure limite élastique et la meilleure résistance en traction. La résistance à l’usure des pièces était proportionnelle à la fraction de WC dans la matrice. Cet ouvrage réalisé avec la collaboration de M. Carl Blais et M. Alexandre Bois-Brochu sera soumis à des journaux scientifiques à comité de lecture sous peu. Les résultats préliminaires de cette étude ont été présentés sous forme d’affiche et de présentation par l’étudiant lors de la conférence AMPM au mois de juin 2017. L’étudiant en est le principal auteur et a fait la majeure partie des manipulations en laboratoire ainsi que du traitement des données, de l’analyse des résultats et de la rédaction. L’étudiant est d’ailleurs l’instigateur derrière cette idée de projet de recherche.

Le second intitulé « Tensile properties of built and rebuilt/repaired 316L-Si Stainless Steel specimens using

Directed Energy Deposition » s’est attardé à l’étude de pièces d’acier inoxydable SS316L entièrement

construites et réparées à l’aide de la DED. Les propriétés mécaniques statiques en traction ainsi que la microstructure des échantillons ont été étudiées et comparées à celles des pièces conventionnelles. L’effet d’un traitement de relaxation des contraintes résiduelles (SR) ainsi qu’un traitement de pressage isostatique à chaud (HIP) sur ces caractéristiques ont aussi fait l’objet de l’étude. Les réparations construites présentaient des propriétés mécaniques supérieures aux propriétés typiques démontrant l’efficacité de cette application. Les échantillons construits présentaient une fraction de porosités plus petite que 0,1%. L’allongement à la rupture des pièces entièrement construites par DED présentaient un allongement nettement supérieur à la norme avec

64%. Le traitement de HIP permettait d’augmenter significativement la résistance en traction ainsi que l’allongement au détriment de la limite élastique. Cet article encore une fois fait avec la collaboration de M. Carl Blais et M. Alexandre Bois-Brochu a été soumis au journal Additive Manufacturing au courant de l’été 2018 et est actuellement en révision. Les résultats préliminaires de cette étude ont été présentés sous forme d’affiche par l’étudiant et de présentation par M. Alexandre Bois-Brochu lors de la conférence AMPM au mois de juin 2017. L’étudiant en est le principal auteur et a fait la majeure partie des manipulations en laboratoire ainsi que du traitement des données, de l’analyse des résultats et de la rédaction.

Un peu de la même manière que le premier article, le dernier article intitulé « Tensile Properties and

Microstructural Characterization of entirely built vs repaired AlSi7Mg specimens made by Directed Energy Deposition » a étudié la microstructure et les propriétés mécaniques statiques en traction de pièces d’ AlSi7Mg

complètement construites et réparées à l’aide de la DED. Contrairement au précédent article, ces réparations ont été effectuées sur de réelles pièces originalement coulées par fonderie conventionnelle. Cette approche a été utilisée dans le but de reproduire le plus fidèlement possible cette application en industrie. Une forte anisotropie des propriétés mécaniques fut observée pour les pièces entièrement construite par DED. Pour ce qui est des réparations, celles-ci présentaient une résistance à la traction ainsi qu’un allongement supérieur aux pièces coulées par fonderie prouvant encore une fois l’efficacité de cette application. Toujours réalisé avec M. Carl Blais et M. Alexandre Bois-Brochu, cet article sera soumis sous peu à des journaux scientifiques à comité de lecture. Les résultats préliminaires de ce projet de recherche ont été présentés sous forme de conférence et d’affiche lors des journées étudiantes du REGAL (JER) 2017 et 2018 respectivement. Une mise à jour concernant plus récents résultats a été présentée lors des conférences HI-AM du Conseil de Recherches en

Sciences Naturelles et en Génie du Canada (CRSNG) et ICAA16 de L’Institut Canadien des Mines, de la Métallurgie et du Pétrole (ICM) tenues respectivement au mois de mai et juin 2018. L’étudiant en est l’auteur

principal et a fait la majeure partie des manipulations en laboratoire ainsi que du traitement des données, de l’analyse des résultats et de la rédaction.

Introduction

La Fabrication Additive (FA), aussi connue sous le terme « impression 3D », est une approche relativement nouvelle de mise en forme des métaux et des polymères permettant de créer des pièces à géométrie complexe à partir d’un fichier numérique. Se distinguant des techniques de mise en forme conventionnelles basées sur la soustraction de matière, cette nouvelle famille de procédés permet de construire plutôt des pièces en couches successives [1].

La FA a bien évolué au cours des dernières décennies. Du premier modèle d’imprimante 3D commercialisé en 1987 jusqu’à aujourd’hui [2], énormément de progrès a été fait au niveau de la résolution spatiale, de la vitesse de déposition, de la qualité du dépôt, des types de matériaux et des technologies d’impressions en générale. Auparavant limités à quelques types de polymères pour l’impression de pièces et de prototypes, les utilisateurs de cette technologie ont dorénavant accès à une multitude de matériaux différents allant des métaux jusqu’aux céramiques.

La technologie de Déposition sous Énergie Dirigée (DED) est une technologie de FA qui se distingue des autres technologies sur le marché par sa grande versatilité. En effet, en plus d’être capable de créer des pièces complexes en 3 dimensions, celle-ci est aussi en mesure d’ajouter de nouvelles sections à des pièces, de réparer des pièces endommagées et de créer des pièces présentant des gradients fonctionnels. Toutefois, bien qu’extrêmement intéressantes autant pour le domaine de la recherche que pour l’industrie, ces deux dernières applications n’ont que trop peu été étudiées au cours des dernières années.

Les 4 grandes étapes de la FA

Aujourd’hui, il existe une multitude de procédés de FA différents sur le marché présentant chacun leurs avantages et leurs inconvénients. Tout dépendant du type de matériau travaillé, de la taille de la pièce, de sa géométrie, de sa complexité, du budget et de la vitesse de construction désirée, un système de FA optimal saura répondre à ces besoins particuliers. Malgré la grande diversité de toutes ces technologies, ces principaux procédés peuvent généralement être subdivisés en 4 grandes étapes distinctes [3].

1 - Création du fichier numérique

La première étape consiste en la création de la pièce voulue en 3 dimensions à l’aide d’un logiciel de conception assisté par ordinateur (CAO). Une fois le dessin complété, celui-ci doit être convertit en un fichier de type STL afin de pouvoir être manipulé lors de la prochaine étape.

2 - Traitement du fichier STL

Une fois le fichier STL créé, celui-ci devra être traité ou « tranché » à l’aide d’un logiciel spécialisé communément appelé « slicer » pour générer le code d’impression des différentes couches de la pièce. Lors de cette étape, l’utilisateur peut notamment choisir l’épaisseur des couches désirée, la distance entre chaque passe déposée, la vitesse de déplacement des axes et bien d’autres paramètres pertinents. La majorité des systèmes de FA sur le marché utilise un code d’impression de type code-G comme celui utilisé dans les machines-outils à commandes numériques. Certains systèmes n’utilisent pas ce type de code et privilégient plutôt un autre type de langage pour contrôler le déplacement des axes. C’est le cas du système LENS qui utilise son propre logiciel pour générer un code d’impression de type DMC ou G.

3 - Sélection des derniers paramètres et impression de la pièce

Tout dépendant du système de FA utilisé, certains paramètres importants tels que le débit d’alimentation et la puissance de la source d’énergie ne sont pas inclus dans le code d’impression et doivent être optimisés avant l’impression de la pièce. Une fois ceux-ci choisis, l’utilisateur peut aligner la pièce à l’endroit désiré sur la surface d’impression et débuter la construction de celle-ci. Selon sa confiance et son niveau de formation avec le code d’impression et le choix des paramètres, il est conseillé de surveiller l’impression de la pièce afin d’effectuer des correctifs au besoin. De plus, si le système le permet et selon la nécessité, on purgera évidemment la chambre de travail à l’aide d’un gaz inerte avant l’impression de matériaux réactifs.

4 - Post-traitements et utilisation de la pièce

Une fois la pièce complétée, celle-ci peut être retirée du système d’impression pour subir les étapes de post-traitements voulues. Tout dépendamment de la technologie de FA utilisée, la géométrie, le fini de surface et d’autres caractéristiques de la pièce risques de ne pas correspondre exactement aux spécificités initialement incluses dans le fichier numérique utilisé. De plus, pour certaines pièces complexes, il est nécessaire d’imprimer des supports structuraux pour éviter que celles-ci subissent des distorsions sous l’effet des contraintes résiduels induites par les nombreux cycles de montés et de descentes en température [4]. Une étape d’usinage peut également être nécessaire afin d’obtenir les caractéristiques désirées, particulièrement en ce qui a trait au fini de surface. Naturellement, c’est aussi à ce moment que la pièce subira le ou les traitements thermiques nécessaires à l’obtention de la microstructure et les propriétés mécaniques requises. Une fois toutes les étapes de post-traitements complétées, la pièce peut finalement être utilisée en service.

Intérêt de la FA

Économique

C’est notamment grâce aux développements dans l’utilisation d’alliages reconnus pour leurs difficultés de mise en œuvre et leur coûts, ex : le Ti-6Al-4V et les Inconels, que certaines grandes industries se sont intéressées à la FA des métaux. L’industrie aéronautique en est une des plus importantes puisque la technologie FA permet de fabriquer des pièces d’une grande complexité en une seule impression sans avoir recourt aux méthodes de mise en forme conventionnelles comme l’usinage et le soudage. En effet, un nombre important de pièces en aéronautique présentent des géométries complexes et sont composées d’alliages spécifiques de haute performance qui sont difficiles à mettre en forme que ce soit par fonderie ou tout autre procédé. Ce faisant, ces dites pièces sont souvent complètement usinées à partir d’un bloc du métal en question résultant en une grande quantité de matière première non utilisée. Dans le domaine, on appelle le ratio de la masse du bloc de matière initial par rapport à la masse de la pièce finale le « Buy-to-Fly » ratio [5]. Plus ce ratio est grand, plus la quantité de matière première et d’énergie est perdue inutilement dans le processus de création de la pièce. Certaines des pièces les plus complexes comme les brides de conduits présentent un « Buy-to-Fly » ratio de plus de 20:1 [6]. C’est dans ce contexte que la FA devient extrêmement intéressante pour l’industrie. En effet, la FA a le potentiel de réduire de manière significative la quantité de matière première utilisée pour la création de pièces complexes puisque celle-ci ne repose pas sur une technologie de mise en forme soustractive. Qui plus est, certaines technologies de FA telle que la DED permettent même de réparer des pièces qui ont rompu en service. Il est alors possible de donner une deuxième vie à une pièce dispendieuse et par le fait même éviter des coûts de remplacement importants [7]. D’autres part, une équipe de chercheurs a récemment conduit une analyse poussée sur les avantages économiques qu’offre la FA [8]. Pour ce faire, ceux-ci ont comparé les coûts reliés à la production de trains d’atterrissage d’aéronefs italiens P180 par moulage sous haute pression (HPDC) et par FA via frittage sélectif par laser (SLS). Ceux-ci ont conclu que la FA est plus intéressante économiquement parlant pour de petites productions comme il est possible de l’observer à la Figure 1. En effet, au-delà de 42 pièces, le moulage sous pression devient plus économique que la FA. Dans leur analyse, les auteurs spécifient que près de 90% du coût de fabrication par FA est attribuable à la dépréciation du système d’impression qui représente un investissement initial très important. Il est possible de soumettre l’hypothèse que le prix des systèmes de FA métallique diminuera au cours des prochaines années à cause du gain en popularité de la technologie et de son développement. Fort est à parier que le seuil de rentabilité de la FA migrera alors vers des plus gros volumes de production.

Figure 1 : Seuil de rentabilité de la FA (SLS) vs. le moulage sous haute pression (HPDC) pour la production de trains d’atterrissage d’aéronefs. Adaptée de [8].

Bien qu’il reste encore des avancées et des améliorations possibles notamment au niveau du prix d’acquisition des systèmes de FA, certains croient que cette technologie permettra de révolutionner la gestion et la manutention des pièces de rechanges [9]. En effet, la FA pourrait être utilisée pour fabriquer des pièces sur demande. Ce faisant, pour les fournisseurs touchés, il ne serait plus nécessaire de tenir un inventaire faramineux de pièces en tout genre pour répondre à toutes les demandes de leurs clients. Ceux-ci réaliseraient alors d’importantes économies en termes de tenu d’inventaire, de maintenance et de transport. Dans le même ordre d’idées, certaines personnes projettent déjà l’implantation de systèmes de FA lors des futures missions spatiales pour créer les pièces nécessaires seulement en cas de besoin [10]. La NASA étudie d’ailleurs la possibilité d’intégrer un système de FA personnalisé abord de la station spatiale internationale [11].

Conception

Un des avantages clés de la FA est la quasi-absence de limites quant aux possibilités de conception géométrique des pièces. Bien que celles-ci varient selon le système d’impression utilisé, rares sont les pièces qu’il n’est pas possible de produire par FA. Un exemple d’une telle pièce en serait une présentant des cavités fermées. En effet, avec les systèmes à base de poudre, il serait difficile de produire une telle pièce présentant des cavités exemptes de poudre sans percer de trou pour en extraire celle-ci. D’autres part, l’impression de supports temporaires est parfois nécessaire lors de l’impression de pièces présentant des sections en porte-à-faux relativement longues. Il n’en demeure pas moins qu’avec cette technologie, il est possible de créer des pièces qui n’étaient pas imaginables de concevoir avec les méthodes conventionnelles de mise en forme de métaux tel que l’usinage.

La conception pour la FA

La croissance de la FA a encouragé l’évolution de nouveaux domaines d’expertise telle que la conception pour la FA. Il est important de mettre l’emphase sur le mot « pour » de cette expression. En effet, il ne s’agit pas ici de simplement substituer une pièce autrefois usinée par une identique en termes de géométrie et de dimensions mais maintenant fabriquée par FA. Il s’agit plutôt de repenser la conception de la pièce depuis le début afin de tirer un maximum de profit des avantages qu’offre la FA [12]. Il est ainsi possible d’arriver à un résultat de conception totalement différent de l’ancien. La conception pour la FA a notamment permis de réinventer la mise en forme et la conception de montages qui étaient autrefois composés d’une multitude de pièces différentes jointes les unes aux autres. Par exemple, grâce à la FA, le géant américain GE a réussi à concevoir une nouvelle buse de projection de carburant présentant un intérieur très complexe. En plus d’être plus durable, cette nouvelle buse d’injection combine plus de 20 pièces différentes en une seule et est 25% plus légère que l’ancien assemblage [13].

L’optimisation topologique

Pilier de la conception pour la FA, l’optimisation topologique est un domaine d’expertise qui s’est nettement développé au cours des dernières années. Par définition, cette méthode mathématique a pour but d’optimiser la répartition de matière dans un volume donné dans le but de minimiser ou maximiser un objectif précis le tout régis par des contraintes [14]. D’ordre général, on voudra maximiser la rigidité d’une composante pour un volume donné. Auparavant limitée par les restrictions liées aux méthodes d’usinage, cette technique d’optimisation, qui est intégrée dans bons nombres de logiciels de conception assistée par ordinateur, peut dorénavant être utilisée à son plein potentiel avec la FA. La Figure 2 illustre deux exemples de ce genre d’applications.

Figure 2 : Supports repensés pour la FA grâce à l’optimisation topologique. Charnière de nacelle de l’airbus A320 (gauche) [15]. Ancienne conception pour la coulée d’acier (arrière) et nouvelle conception en titane par FA (avant). Support pour l’airbus A380 (droite). Ancienne conception (arrière) et nouvelle conception pour la FA (avant) [16].

Le présent mémoire de maîtrise présente trois ouvrages distincts ayant portés sur ces applications exclusives à la DED. Avant de plonger au cœur de ces ouvrages, une revue de littérature étoffée familiarisant le lecteur aux différentes terminologies et particularités liées à la FA est présentée. On y retrouve notamment une description plus approfondie de la DED. De plus, par souci de pertinence avec le thème du mémoire, une attention particulière est portée aux systèmes de type LENS et aux matériaux étudiés au cours de celui-ci. Les trois articles étudiant la mise en forme de pièces à gradients fonctionnels et la réparation de pièces à l’aide de la DED sont présentés après cette revue dans des chapitres distincts.

Références

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[2] T. Wohlers et T. Gornet, Wohlers Report 2014 History of additive manufacturing,

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[3] I. Gibson, D. Rosen et B. Stucker, Additive Manufacturing Technologies Rapid

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[8] E. Atzeni et A. Salmi, «Economics of additive manufacturing for end-usable metal

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[10] D. Krantz, S. Nasla, J. Byrne et B. Rosenberger, «On-demand spares fabrication

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[14] Y. Mass et O. Amir, «Topology optimization for additive manufacturing: Accounting

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[15] ALTAIR, «Topology Optimization Joins the Mile High Club,» 29 Juin 2012. [En

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Chapitre 1 Revue de littérature

1.1 La Déposition sous Énergie Dirigée

La déposition sous énergie dirigée, appelée Directed Energy Deposition (DED) en anglais, est une branche de la FA qui comprend plusieurs technologies différentes. Regroupant notamment les technologies de Direct

Metal Deposition (DMD), Direct Laser Deposition (DLD) et de Laser Engineered Net Shaping (LENS), cette

famille se distingue quant à son procédé de déposition particulier et à ses applications niches. Contrairement aux technologies de FA plus populaires telles que celles de lit de poudre (PBF), la DED ne liquéfie pas de la matière préalablement disposée en une mince couche sur une surface de travail. En effet, celle-ci liquéfie plutôt la matière et dépose celle-ci de manière simultanée [1]. C’est d’ailleurs cette particularité derrière la conception de son procédé de déposition qui est le principal avantage de cette technologie. Les prochaines lignes décrieront le procédé de DED en détails, les applications uniques à cette branche de la FA ainsi que les défauts typiques retrouvés dans les pièces construites avec cette technologie.

Le procédé général

Pour créer des pièces métalliques de géométrie complexe, la déposition sous énergie dirigée (DED) emploie une grande source d’énergie concentrée sur une plaque de base pour créer un bain de fusion. De manière simultanée, une quantité de matière première prenant la forme d’une poudre ou d’un fil métallique y est ajoutée pour créer un dépôt en surface. Tout dépendamment du système utilisé, la tête de déposition, la plaque de base, ou une combinaison des deux, se déplace le long de axes X et Y selon le code d’impression préalablement créé à l’aide d’un logiciel et d’un fichier numérique de type STL. Généralement, les codes d’impressions utilisés avec cette technologie impriment d’abord le contour de la pièce pour ensuite remplir l’intérieur de chaque couche avec plusieurs passes linéaires et parallèles. Une fois la couche complétée, la tête d’impression, ou la plaque de base dans certains cas, s’élève ou s’abaisse le long de l’axe Z et la prochaine couche est par la suite déposée. Ce cycle d’impression est répété jusqu’à la complétion de toutes les couches [2]. La Figure 1 présente un schéma simplifié du fonctionnement d’un système DED typique utilisant un laser et une alimentation sous forme de poudre.

Figure 1-1 : Schéma d’un système DED laser/poudre typique. HD: Hatch Distance, LT: Layer Thickness, HS: Hatch Shrink.

Les sources d’énergie et le matériel d’apport

Trois différentes sources d’énergie, soit le laser, le faisceau d’électrons et l’arc plasma, et deux types de matière première, la poudre et le fil d’apport, sont employés actuellement sur le marché pour un total de six combinaisons de systèmes DED. Évidemment, chaque combinaison de source d’énergie et de matière première amène son lot d’avantages et d’inconvénients. Par exemple, le faisceau d’électrons permet de générer une plus grande densité d’énergie que le laser et permet ainsi d’obtenir des taux de déposition beaucoup plus élevés. Cependant, cette source d’énergie est beaucoup plus dispendieuse et nécessite un vide important pour être opérée. D’autres part, l’arc plasma constitue une source d’énergie assez versatile pouvant être employée selon une grande gamme de taux de déposition et de densité d’énergie, et ce à relativement faibles coûts. Toutefois, la distance requise entre la tête d’impression et la pièce pour obtenir un dépôt de qualité est plus petite qu’avec les autres sources d’énergie limitant ainsi la mobilité du montage et la possibilité d’installer des équipements tierces de lecture en continu du bain de fusion par exemple. Quant au laser, cette source d’énergie se situe entre le faisceau d’électrons et l’arc plasma en termes de densité d’énergie et consiste en un bon compromis qualité/prix.

Pour ce qui est de la forme de la matière première, le fil d’apport est notamment moins cher que la poudre et une plus grande variété d’alliages conventionnels sont disponibles sous cette forme. De plus, il est généralement possible d’obtenir de plus grands taux de déposition avec un fil d’apport. Par ailleurs, la totalité

du fil d’apport est utilisé pour créer le dépôt contrairement à la poudre ou seulement une fraction de la quantité totale de poudre projetée entre dans le bain de fusion pour former le dépôt [3]. Toutefois l’utilisation d’un fil d’apport limite la complexité des pièces qu’il est possible de créer et n’est pas très bien adaptée pour certaines applications niches de la DED telle que la création de pièce présentant des gradients fonctionnels. L’utilisation de poudre comme matériel d’apport présente aussi son lot d’avantages. En effet, il est possible d’obtenir des matériaux sous forme de poudre qu’il n’est pas possible de retrouver sous forme de fil. C’est le cas de certaines céramiques qui permettent notamment la création de matériaux composites par DED. D’autres part, l’utilisation de poudre permet de réparer beaucoup plus aisément des pièces à géométrie complexe. De plus, en déposant différents types de poudre en même temps à l’aide de plusieurs systèmes d’alimentation, il est possible de créer des alliages in situ en temps réel. Finalement, en modifiant le taux d’alimentation respectif de chaque poudre en fonction de la position de la tête d’impression, il est possible de créer des pièces avec gradients fonctionnels comportant des régions présentant différentes propriétés mécaniques et physiques. On préconisera donc le fil d’apport pour la création de grande pièce à géométrie relativement peu complexe nécessitant d’importants taux de déposition. La poudre sera plutôt utilisée pour la fabrication, la réparation de pièces de taille moyenne et pour la fabrication de pièces comportant des gradients de composition. La Figure 2 présente différents systèmes commerciaux de FA par DED.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Figure 1-2 : Principaux systèmes de FA par Déposition sous Énergie Dirigée (compagnie, modèle-type). a) Sciaky, EBAM - faisceau d’électrons/fil [75] b) Trumpf, TruLaser Cell - laser/poudre [76] c) DMG Mory, LASERTEC - laser/poudre [77] d) WAAM – arc plasma/fil [78] e) BeAM – laser/poudre [79] f) Optomec, LENS – laser/poudre [80].

1.2 Applications

Les systèmes de FA par DED peuvent être employés pour créer des pièces métalliques à même titre que les autres technologies de FA disponibles sur le marché. Cependant, lorsque l’on compare les caractéristiques des pièces fabriquées avec ces systèmes avec celles de pièces produites avec la technologie de PBF par exemple, il est possible de constater les limitations de la DED. En effet, la technologie de PBF, comparativement à la DED, permet d’inclure plus facilement des supports pour la production de pièces à géométrie très complexe. De plus, de par la possibilité de former des couches beaucoup plus minces, le fini de surface, la résolution et la fidélité géométrique des pièces produites par PBF sont nettement supérieurs. La Figure 3 présente un graphique comparant les technologies de PBF et de DED par rapport à la vitesse de déposition et la taille des couches déposées [4]. Il est ainsi possible de constater que les technologies de PBF sacrifient la vitesse de déposition au profit d’une meilleure qualité de fini de surface des pièces résultant de la déposition de couches plus fines.

Figure1-3 : Comparaison entre les technologies de PBF (Powder Bed Fusion) et de DED en termes de taux de déposition et d’épaisseur de couches. Adaptée de [4].

Malgré leurs avantages, les technologies de PBF sont plutôt limitées sur le type et la quantité d’applications différentes qu’elles peuvent accomplir à cause de la conception de leur procédé d’impression. Bien que ce soit possible en théorie, d’un point de vue pratique et réaliste, ces technologies peuvent difficilement traiter plus d’un matériau différent à la fois tout en obtenant une pièce de qualité. De plus, elles sont encore moins aptes à réparer des pièces. En contrepartie, grâce à la conception de leurs procédés de déposition de matière, les technologies de DED sont pratiquement les seules technologies de FA pouvant accomplir ces tâches et c’est exactement là tout l’intérêt pour celles-ci. Les prochaines lignes décriront les deux principales applications de la DED, soit la réparation de pièces et la création de pièces à gradient de composition qui positionnent cette famille de technologies de FA dans une classe à part.

Réparation de pièces

L’un des grands intérêts de la DED est la possibilité de réparer des pièces qui présentent des défauts de fabrication ou qui ont tout simplement rompu en services. En effet, en générant un fichier numérique en trois dimensions de type STL du défaut à réparer et en positionnant correctement la pièce dans la chambre de travail, il est possible de remplir la cavité à l’aide d’un système DED. Ce faisant, il est possible de récupérer la pièce, remettre celle-ci en fonction et, conséquemment, réaliser des économies intéressantes. Bien que ce genre d’opération semble facile à première vue, le succès de celle-ci dépend fortement de la complexité du défaut et de la compréhension de l’interaction du procédé avec le matériau à réparer. En effet, une sélection judicieuse des paramètres d’impression est nécessaire puisqu’il sera difficile de faire des corrections une fois l’impression débutée. De plus, il est généralement plus facile de faire ce genre d’opération avec des systèmes DED utilisant de la poudre comme matériau d’apport. Dans les cas extrêmes, et dans le but de simplifier l’opération, il est possible d’usiner le défaut pour obtenir une géométrie moins complexe et plus définie afin de faciliter la création du dessin et s’assurer que ce dernier reflète le mieux possible les dimensions réelles du défaut [5]. Les pièces réparées par DED présentent généralement des propriétés mécaniques égales ou supérieures au matériau de base. Ceci peut être expliquer par le fait que la matière déposée présente une microstructure fine qui est le résultat du taux de refroidissement important induit par le procédé [6] [7].

Exemples

Plusieurs travaux de recherche ont été effectués dans les dernières années sur le sujet de la réparation de défauts par DED. Liu et al. ont réparé avec succès des défauts artificiellement usinés prenant la forme de trous borgnes de forme coniques dans un substrat de Waspaloy. L’équipe de chercheurs a aussi réparé des défauts artificiellement usinés prenant la forme de trous débouchant dans un substrat d’Inconel 718. Les conclusions de leurs expérimentations indiquent que les réparations de Waspaloy sont propices à la formation de fissures et que l’Inconel 718 présente une très bonne aptitude à être réparé sous une grande plage de paramètres [8]. Pinkerton et al. ont quant à eux réparé des rainures de section triangulaire et rectangulaire usinées dans un substrat d’acier à outils H13. Cette géométrie de rainures a été choisie pour simuler la région usinée d’une pièce qui présentait des fissures en surface destinée à être réparées. L’équipe a notamment conclu qu’il est possible d’effectuer des réparations de qualité sur ce genre de sections, mais que la présence de porosités à l’interface entre la pièce et le dépôt est un problème. Le taux de porosité semblait augmenter en fonction de la puissance du laser et du taux de déposition de matière [5]. Song et al. ont réparé des rainures de section triangulaire usinées dans un substrat d’acier doux avec un matériau d’apport d’acier inoxydable. Les chercheurs ont notamment caractérisé les propriétés mécaniques des réparations avec des essais de traction, d’impact et de microdureté. Ces derniers ont mesuré une augmentation de la résistance en traction, de la ténacité et de la dureté des échantillons réparés. Ces résultats sont attribués à la microstructure fine et

à réparer une section d’une lame de turbine en acier inoxydable 316L. La Figure 4 suivante présente le résultat de leur expérimentation.

Figure 1-4 : Lames de turbines avant (gauche) et après réparation (droite). Adaptée de [9].

La réparation de pièces endommagées présente aussi la possibilité de réaliser d’importantes économies et de réduire son impact sur l’environnement. En effet, dans la même étude, Wilson et al. ont déterminé qu’il est possible de réduire l’empreinte carbone de 45% et de réaliser des économies de 36% en réparant un volume équivalent à 10% d’une pièce au lieu de remplacer celle-ci [9].

M. Grylls, ancien employé d’Optomec, rapporte aussi d’autres succès de réparation de pièces avec la technologie de DED, plus précisément avec le système LENS. Par exemple, le département de la défense du gouvernement américain a réalisé d’importantes économies en se procurant un système LENS dédié à la réparation de pièces abîmées. En effet, auparavant jetés, leurs compresseurs endommagés sont maintenant réparés avec un système LENS ce qui permet de réaliser des économies de 6 300$ US par pièce. D’autres part, l’Aniston Army Depot (ANAD), un des plus importants établissements de production et de réparation d’équipements de l’armée américaine, projette de réaliser des économies de l’ordre de 5,5$ M US avec un seul système LENS [10].

Pièces à gradient de composition

Bien que la création de pièces présentant des gradients de composition chimique soit techniquement possible avec d’autres systèmes de FA [11], la DED à base de poudre est tout particulièrement bien adaptée pour ce genre d’applications. En effet, grâce à son système d’alimentation de poudre qui est constitué de plusieurs trémies distinctes, il est possible de faire varier les débits d’alimentation de chaque réservoir pour créer un dépôt de mélange unique et précis. Qui plus est, il est possible de faire varier la composition du mélange à chaque couche déposée. Par exemple, dans le cas de l’utilisation de deux trémies contenant respectivement un métal A et un métal B, il est possible de créer une pièce présentant une composition chimique variant graduellement de 100% du métal A près du substrat jusqu’à 100% du métal B en son sommet tout en

présentant un mélange 50% métal A et 50% métal B en son centre. Des schémas liés à ce dernier exemple ainsi que d’autres possibilités sont présentés à la Figure 5. Ceux-ci ne sont que quelques aperçus de gradients de composition, ces derniers étant proportionnels au nombre de poudres différentes pouvant être utilisées et à l’imagination de l’utilisateur. Les pièces ainsi créées sont uniques et difficilement reproductibles avec d’autres techniques de mise en forme conventionnelles. Seule la FA rend la création de telles pièces possibles [12].

Figure 1-5 : Différents exemples de pièces à gradient de composition chimique. a) - d) gradient classique, e) – f) matériaux composites. Adaptée de [13].

Le réel intérêt des pièces présentant un gradient de composition chimique est la possibilité d’avoir une pièce ayant des propriétés mécaniques et/ou physiques qui évoluent et qui sont adaptées en fonction de l’emplacement dans la pièce. Cette technique rend notamment possible la jonction de matériaux distincts présentant une grande différence de coefficient d’expansion thermique en effectuant une transition en douceur d’un matériau à l’autre par exemple [14]. Plusieurs équipes de chercheurs ont mené des études sur la création de telles pièces au cours des dernières années. Dans un article publié dans Nature, Hofmann et al. présentent les résultats de leur étude portant sur l’évolution de la dureté et de la composition chimique de pièces présentant un gradient de composition passant du Ti-6Al-4V jusqu’au vanadium et du SS 304L jusqu’à l’Invar 36. Dans leur ouvrage, ils mentionnent aussi avoir réussi à concevoir des pièces avec des gradients de composition passant de Ti-6Al-4V au Nb, de Ti-6Al-4V au V puis à l’acier inoxydable 420 en plus de nombreux autres [12]. Ceux-ci présentent aussi une stratégie de développement de gradients de composition basés sur l’utilisation des diagrammes de phases ternaires. En effet, un des problèmes avec les pièces présentant des gradients de compositions chimiques est la formation d’intermétalliques fragiles à une certaine composition précise qui induit des fissures dans la pièce au cours de sa construction tel que présenté à la Figure 6.

Figure 1-6 : Délamination causée par la création de phases fragiles [13].

Pour l’exemple du Ti-6Al-4V, en utilisant le diagramme de phase ternaire Ti-Al-V à 1023 K, il est possible de déterminer le « chemin » optimal entre la composition A de départ et la composition B voulue, tout en évitant les compositions favorisant la formation d’intermétalliques fragiles. La Figure 7 présente ce concept. Comme il est possible de le voir, pour passer d’une composition initiale de Ti-6Al-4V (point A) à une composition finale 100% vanadium (point B), plusieurs chemins sont possibles. Par exemple, tel qu’indiqué par le chemin 1, on peut effectuer cette transition en augmentant graduellement la quantité de vanadium projeté tout en réduisant la quantité de Ti-6Al-4V. Le chemin 3 quant à lui, passe du Ti-6Al-4V au Ti pure et puis ensuite à la composition B en augmentant la concentration en vanadium du dépôt. Finalement, le chemin 2 illustre la possibilité de faire varier le chemin en modifiant la concentration en Ti, en Al et en V.

Figure 1-7 : Diagramme de phase ternaire Ti-Al-V à 1023 K. Les zones hachurées en vert représentent des compositions propices à la formation d’intermallique fragiles. Adaptée de [12].

Cette stratégie de développement de gradient de compositions peut être appliquée à n’importe quel diagramme de phases ternaire tel que présenté à la Figure 8. Encore une fois, il existe plusieurs chemins pour passer de la composition de départ 1 à la composition cible 2. Toutefois, la stratégie optimale à retenir est celle qui ne traverse pas les zones de composition propices à la formation d’intermétalliques fragiles, ici représentées en vert.

Figure 1-8 : Diagramme ternaire isotherme fictif A-B-C. Adaptée de [13].

Exemples

Certaines équipes de chercheurs ont déjà exploré différentes applications possibles tirant avantage d’une conception présentant un ou plusieurs gradients de compositions. En effet, Hofman et al. ont notamment conçu un prototype de buse de fusée dont le corps est fait entièrement de Ti-6Al-4V et la buse en niobium tout en présentant un gradient entre les deux parties. Le Ti-6Al-4V a été choisi dans la conception du corps pour sa faible masse volumique et le niobium a été choisi pour ses propriétés réfractaires puisque le nez de la buse doit supporter des températures importantes [13]. Un schéma des prototypes ainsi que des photos de ceux-ci une fois imprimés sont présentés à la Figure 9.

Figure 1-9 : Nouvelle conception d’une buse de fusée présentant un gradient de composition chimique. a) - c). Modèles numériques. d) Pièces tel que fabriquée. e) Pièce finale une fois usinée. Adaptée de [13].

La même équipe de chercheurs a aussi repensé la conception d’une soupape d’automobile conventionnellement composée d’une tête d’Inconel 625 jointe à une tige faite d’acier inoxydable par le procédé de friction-malaxage. Avec cette méthode de mise en forme, ces pièces ont tendances à se rompre non loin du joint de soudure à cause de la transition abrupte entre les deux matériaux utilisés. Toutefois, en utilisant la technologie de DED, les chercheurs ont réussi à construire le même genre de soupape automobile présentant cette fois-ci une transition en douceur entre l’Inconel 625 et l’acier inoxydable, diminuant ainsi la probabilité d’une rupture près du joint. La Figure 10 suivante présente les étapes de la conception de cette soupape.

n

Figure 1-10 : Nouveau concept d’une soupape automobile présentant un gradient de composition chimique. A) Modèle numérique. b) En cours de fabrication. c) Tel qu’imprimé d) –e) Pièces finales une fois usinées. Adapté de [13].

La technologie de DED permet aussi de créer des composites présentant des gradients de compositions. Mahamood et al. ont testé cette application en créant des composites à matrice métallique de Ti-6Al-4V renforcés de particules de TiC à l’aide d’un système DED laser/poudre. Ces derniers ont créé des échantillons partant d’une composition 100% Ti-6Al-4V:0%TiC jusqu’à une composition 50% Ti-6Al-4V :50%TiC le long de l’axe Z de construction en augmentant graduellement, par bonds de 5%, la proportion de particules de TiC à chaque couche déposée. Ils ont aussi testé deux stratégies différentes d’impression, la première recourant à des paramètres d’impression constants et la seconde à des paramètres optimisés pour chaque couche préalablement déterminés lors d’une étude antérieure. Les échantillons ainsi construits ont ensuite été caractérisés par microscopie optique et microscopie électronique à balayage. Des profils de microdureté et des essais de résistance à l’abrasion ont aussi été effectués. L’équipe de chercheur a notamment conclu que l’échantillon conçu à l’aide des paramètres optimaux pour chaque couche présente la meilleure résistance à l’abrasion et la meilleure dureté. Ces résultats témoignent donc de l’avantage d’utiliser des paramètres adaptés pour chaque couche au lieu de paramètres constants pour la totalité de l’impression. Toutefois, il est important de garder à l’esprit qu’une bonne quantité de tests doivent être conduits préalablement pour obtenir ces dits paramètres optimaux [15].

D’autres part, Balla et al. ont étudié la possibilité d’inclure des gradients de composition dans la confection de prothèses orthopédiques pour améliorer leur durée de vie. Pour ce faire, ceux-ci ont créé des échantillons circulaires de 10 millimètres de diamètre comportant une base poreuse de titane pour améliorer

l’ostointégration et présentant un gradient de compositions linéaire jusqu’à différentes compositions de Ti/TiO2

en surface. L’ajout de cet oxyde en surface avait pour but d’augmenter la dureté ainsi que la mouillabilité de la pièce. L’équipe de chercheurs a notamment obtenu des duretés de 1102 ± 140 Hv avec leur échantillon présentant une fraction de 50% de TiO2 en surface ce qui représente un gain d’environ 300% comparé au

titane pur. De plus, l’ajout de TiO2 en surface a permis d’augmenter la mouillabilité des pièces en diminuant

l’angle de contact d’approximativement 34%. Ces résultats indiquent donc que l’implantation d’un tel gradient de composition dans la confection de prothèses orthopédiques permettrait d’améliorer significativement la résistance à l’usure et par le fait même leur durée de vie [16].

La grande majorité des articles portant sur la fabrication de pièces présentant des gradients de compositions chimiques à l’aide de la FA ont considéré l’implantation de gradient de nature linéaire. Or, la technologie a encore bien plus à offrir. En effet, théoriquement, la DED permet de créer des pièces présentant une résolution de compositions chimiques de l’ordre du voxel, l’équivalent 3D du pixel. Ainsi, il serait possible de contrôler la composition chimique de chaque voxel de manière précise pour obtenir des propriétés mécaniques spécifiques selon l’endroit. Dans un de leurs récents écrits, Tammas-Williams et Todd introduisent ce principe. Ils y mentionnent notamment qu’ils croient que l’avenir de la DED se situe dans cette application niche, mais que des avancées technologiques sont encore nécessaires. En effet, les logiciels présentement utilisés pour la FA ne permettent pas de lier l’information du matériel voulu lors de la création des fichiers numériques des pièces [17]. Il est donc présentement impossible de créer un fichier d’impression présentant une résolution chimique de l’ordre du voxel. De plus, il est déjà très difficile de prédire les propriétés mécaniques de pièces faites d’un seul matériau. Il est alors naturel d’imaginer que le tout sera encore plus ardu avec l’instauration de plusieurs matériaux, et ce, dans différentes parties d’une même pièce. Toutefois, fort est à parier que ces présentes contraintes se dissiperont au fur et à mesure que des recherches seront faites sur le sujet et que des pistes de solution verront le jour dans les prochaines années.

1.3 Les défauts structuraux

Cela va sans dire, aucun procédé de mise en forme n’est parfait et, bien que celle-ci soit innovatrice, la DED n’y échappe pas. En effet, certains types de défauts structuraux sont couramment observés dans les pièces créées avec cette technologie. La quantité et la forme de ceux-ci dépendent de multiples facteurs tels que le matériau déposé, sa qualité, la concentration en oxygène près du bain de fusion et le taux de refroidissement de ce dernier [18]. Les défauts typiques présents en DED peuvent être divisés en 2 catégories distinctes; 1) les porosités gazeuses et 2) les défauts de manque de fusion (lack of fusion).

Facilement identifiables par leur forme sphérique caractéristique (circulaire en 2D), la porosité gazeuse peut être induite au cœur des pièces de multiples façons. Tout d’abord, celles-ci peuvent provenir de la poudre