Évaluation multi-échelle de la qualité des charges de poudres métalliques pour la fabrication additive

Schéma 1. Procédés illustratifs PBF et DED AM, et interaction poudre/faisceau dans le bain de fusion

INTRODUCTION

La fabrication additive (AM) est attrayante pour la production de pièces avec un accès à une complexité de géométrie/configuration sans précédent, un contrôle du gradient de composition des matériaux et une conception de structure légère non réalisable par les processus traditionnels. Cependant, le succès à long terme de cette technologie en développement rapide dépend, dans une large mesure, de la capacité à produire des pièces et des composants fonctionnels de manière fiable. Le contrôle des défauts est d'une importance primordiale pour obtenir des pièces métalliques en FA avec une résistance mécanique et une durée de vie en fatigue proches de celles de leurs homologues forgés. Les défauts des pièces AM se répartissent en deux catégories principales : la porosité et les fissures. Celles-ci peuvent être causées par divers mécanismes : absence de fusion, effondrement du trou de serrure, porosité du gaz, bouletage, fissuration par solidification, fissuration à l'état solide et porosité liée à la surface. Les défauts peuvent également résulter du piégeage d'impuretés.1 Les défauts résultent de l'interaction entre la matière première et l'énergie du faisceau AM, qui implique des processus thermophysiques et chimiques complexes et transitoires (schéma 1). En tant que tels, les défauts peuvent être liés aux matières premières, aux équipements et aux processus.2 Par conséquent, la réduction des défauts commence par le contrôle de la qualité des matières premières.

Deux technologies AM courantes, à savoir la fusion laser sur lit de poudre (PBF) et le dépôt d'énergie directe de poudre soufflée (DED), utilisent des charges d'alimentation en poudre sphérique avec les compositions et tailles de particules souhaitées, généralement comprises entre 10 et 50 microns. Dans ce type de matière sous forme particulaire, la population d'atomes de surface et de sous-surface représente un rapport supérieur de quatre à cinq ordres par rapport aux matériaux en vrac. Alors que la chimie en vrac jette toujours les bases des propriétés mécaniques ultimes, la chimie de surface des poudres de taille micro devient tout aussi importante, sinon plus, pour la qualité des pièces AM finies. Poussée par l'augmentation de l'énergie libre de surface (c'est-à-dire favorable à la thermodynamique) et la diminution de la longueur de diffusion (c'est-à-dire favorable à la cinétique), l'uniformité particule à particule de la poudre métallique AM est intrinsèquement sensible aux événements locaux tels que la contamination de surface, l'agglomération, et la variation de composition, lors de la fabrication, du conditionnement, du stockage, de l'utilisation et de la réutilisation de la poudre.3

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