Alliage de cuivre à durcissement structural mis en œuvre par fusion laser sur lit de poudre PDF Download
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Author: Claudia Salvan
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Le CuCrZr est un alliage à durcissement structural utilisé pour ses bonnes propriétés électriques et thermiques combinées à des propriétés mécaniques élevées. La fabrication additive, via le procédé de fusion laser sur lit de poudre (ou FLLP), offre de son côté la possibilité de construire des pièces particulièrement complexes et permettrait par exemple, la réalisation d'échangeurs de chaleur plus compacts et plus efficaces. Cependant, la forte réflectivité optique de l'alliage à la longueur d'onde des lasers standards et sa forte conductivité thermique nécessitent l'utilisation de densités d'énergie très élevées, ce qui n'est pas toujours possible ni même souhaitable au regard du coût environnemental et du risque d'endommagement des machines que cela entraine.Les travaux de cette thèse visent à (i) réduire la réflectivité de la poudre par oxydation contrôlée des particules, (ii) optimiser les paramètres procédés afin d'obtenir des pièces denses sur 2 technologies de machine de puissances laser différentes (iii) comparer les microstructures des CuCrZr FLLP avant/après traitement thermique avec celles de deux références, CuCrZr forgé et CuCrZr obtenu par Compaction Isostatique à Chaud (CIC) et (iv) expliquer l'origine des propriétés mécaniques des CuCrZr FLLP en s'appuyant sur des analyses microstructurales MEB-EBSD et MET tout en discutant les contributions respectives des différents mécanismes de durcissement mis en jeu à l'aide d'un modèle mécanique.Nos travaux montrent les liens entre la nature et l'épaisseur de la couche d'oxyde en surface des particules et les propriétés de réflectivité optique et d'écoulement de la poudre. Cette thèse présente les propriétés microstructurales, mécaniques (dureté et traction à 20°C et 250°C), électriques et thermiques de CuCrZr FLLP avant et après deux traitements thermiques (un traitement composé d'une mise en solution, d'une trempe et d'un revenu, et un autre composé d'un simple revenu), et les compare à celles des CuCrZr de référence. Nous avons aussi montré qu'un simple revenu appliqué aux pièces FLLP permet d'obtenir des propriétés mécaniques très élevées (dureté de 184 HV1, Rp0,2 de 527 MPa, Rm de 585 MPa) tout en conservant un allongement non négligeable (14%) et de bonnes propriétés électrique (42 MS.m-1) et thermique (375 W.m-1.K-1 à 100°C). Elles s'expliquent principalement par : (i) la présence, dans le matériau brut FLLP, d'une solution solide sursaturée dans laquelle la totalité du Cr est dissoute permettant, après revenu, d'obtenir une très forte densité de nano-précipités, et donc un fort durcissement structural, (ii) la présence d'une forte densité de dislocations associées aux cellules de solidification, caractéristiques de l'état brut de FLLP, mais largement préservées par le simple revenu.
Author: Claudia Salvan
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Le CuCrZr est un alliage à durcissement structural utilisé pour ses bonnes propriétés électriques et thermiques combinées à des propriétés mécaniques élevées. La fabrication additive, via le procédé de fusion laser sur lit de poudre (ou FLLP), offre de son côté la possibilité de construire des pièces particulièrement complexes et permettrait par exemple, la réalisation d'échangeurs de chaleur plus compacts et plus efficaces. Cependant, la forte réflectivité optique de l'alliage à la longueur d'onde des lasers standards et sa forte conductivité thermique nécessitent l'utilisation de densités d'énergie très élevées, ce qui n'est pas toujours possible ni même souhaitable au regard du coût environnemental et du risque d'endommagement des machines que cela entraine.Les travaux de cette thèse visent à (i) réduire la réflectivité de la poudre par oxydation contrôlée des particules, (ii) optimiser les paramètres procédés afin d'obtenir des pièces denses sur 2 technologies de machine de puissances laser différentes (iii) comparer les microstructures des CuCrZr FLLP avant/après traitement thermique avec celles de deux références, CuCrZr forgé et CuCrZr obtenu par Compaction Isostatique à Chaud (CIC) et (iv) expliquer l'origine des propriétés mécaniques des CuCrZr FLLP en s'appuyant sur des analyses microstructurales MEB-EBSD et MET tout en discutant les contributions respectives des différents mécanismes de durcissement mis en jeu à l'aide d'un modèle mécanique.Nos travaux montrent les liens entre la nature et l'épaisseur de la couche d'oxyde en surface des particules et les propriétés de réflectivité optique et d'écoulement de la poudre. Cette thèse présente les propriétés microstructurales, mécaniques (dureté et traction à 20°C et 250°C), électriques et thermiques de CuCrZr FLLP avant et après deux traitements thermiques (un traitement composé d'une mise en solution, d'une trempe et d'un revenu, et un autre composé d'un simple revenu), et les compare à celles des CuCrZr de référence. Nous avons aussi montré qu'un simple revenu appliqué aux pièces FLLP permet d'obtenir des propriétés mécaniques très élevées (dureté de 184 HV1, Rp0,2 de 527 MPa, Rm de 585 MPa) tout en conservant un allongement non négligeable (14%) et de bonnes propriétés électrique (42 MS.m-1) et thermique (375 W.m-1.K-1 à 100°C). Elles s'expliquent principalement par : (i) la présence, dans le matériau brut FLLP, d'une solution solide sursaturée dans laquelle la totalité du Cr est dissoute permettant, après revenu, d'obtenir une très forte densité de nano-précipités, et donc un fort durcissement structural, (ii) la présence d'une forte densité de dislocations associées aux cellules de solidification, caractéristiques de l'état brut de FLLP, mais largement préservées par le simple revenu.
Author: Akash Arun Sonawane
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Metal Additive Manufacturing also referred to as 3D printing has flourished rapidly into sectors such as aerospace and automotive, where high strength-to-weight ratio and defect-free parts are key requirements. Until today only a few aluminum alloys like AlSi10Mg and AlSi7Mg are manufactured by laser powder bed fusion (L-PBF) [1]. Unfortunately, structural alloys from the 6XXX-series (Al-Si-Mg) and 7XXX-series (Al-Zn) are frequently reported to be crack-sensitive under high cooling rate conditions typical of the L-PBF process [2,3]. In the literature, few technical solutions have been suggested to overcome hot cracking issues. Martin et al. [4] proposed to add nano-particles to promote grain nucleation and thus refine grain size. Others suggest modifying the alloy composition by adding elements like Si [5] or rare-earth elements like Sc in Scalmalloy®. However, there are still debates regarding the mechanism leading to hot cracks in parts made of 6061-grade built by L-PBF. This lack of in-depth understanding of the root causes of hot cracking is an impediment for designing engineering parts for safety-critical applications.The mechanism at the origin of cracks has been identified as solidification cracking based on the observation of the fracture surface of as-built parts where a dendritic morphology gives evidence of the presence of liquid films trapped in the interdendritic space. Also besides, our experimental outcomes based on EBSD characterization, demonstrates that cracking occurs only along columnar grain boundaries of higher misorientation (>20°). We rationalize this cracking along high misorientation grain boundaries behavior using the Rappaz model based on the critical coalescence undercooling [6]. Thus, the critical coalescence undercooling can be estimated as a function of misorientation.The Rappaz-Drezet-Gremaud (RDG) hot cracking criterion [7] is then applied using inputs that comply with L-PBF processing conditions. First, the solidification path of the 6061-alloy is calculated relying on the Scheil-Gulliver assumption. Second, the critical coalescence undercooling is included in the RDG model by modifying the lower integration limit to account for the fact that liquid films are stables at lower temperatures along high misorientation grain boundaries. Finally, the thermal gradients (G) and solidification velocity (v) required into the RDG are estimated with the help of thermal simulations using the Rosenthal analytical model to get values typical of the L-PBF process.Our findings for 6061 alloy show that the existence of stable liquid films is linked to grain boundary misorientation, which causes a sudden increase in pressure drop leading to cracking. We also evaluate thanks to our modeling approach:• the effect of the processing conditions, namely the first-order melting parameters (laser power and scanning speed) on the thermal gradient and solidification velocity inferred from thermal simulations, on the hot tearing sensitivity. This led us to an understanding of the required (G, v) and therefore the required laser power and speed to decrease the cracking susceptibility and propose improvements to process the 6061 alloy using L-PBF.• the effect of solute content modification on the cracking sensitivity. This can be further used as guidelines to suggest chemical composition modification of the 6061 Al-alloy to improve its processability by L-PBF.
Author: Baicheng Zhang
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Au cours de la dernière décennie, le procédé de fabrication additive par fusion sélective d'un lit de poudre SLM a attiré une grande attention dans le domaine de l'industrie, car il permet de produire rapidement des pièces de formes complexes. Le but de ce travail est d'étendre les performances des procédés SLM en étudiant la possibilité d'élaborer des pièces en atmosphère raréfiée. Pour atteindre cet objectif, une approche théorique et expérimentale a été développée, avec la mise en place d'une machine de fusion sélective par laser capable de travailler dans le domaine de pression de 1 à 10-2 mbar.Le travail sous vide permet d'éviter la formation du "bouclier" de plasma généré à partir de l'atmosphère de gaz ionisé par l'énergie du laser. Ceci permet d'une part d'éviter la contamination chimique du matériau (oxydation, nitruration,...) au cours des processus de fusion et d'autre part de réduire le taux de porosité. L'effet des paramètres du laser et des variables d'environnement sur la qualité de pièces a été étudié en considérant le cas du fer pur, de l'acier Inox 316L et du titane.Par ailleurs nous avons étudié la possibilité d'obtenir des alliages in-situ au cours de la fabrication par la technique SLM à partir de mélanges de poudres.Des essais ont été conduits à partir de mélanges Mg/Al, Fe/Ni et Ti/Ni. Dans tous les cas nous avons pu obtenir des alliages in-situ pour les domaines de composition visés qui correspondent à des applications pratiques (structures légères, alliage magnétique à faible coercivité, alliage à mémoire de forme). Les propriétés des matériaux obtenus, d'après les premières caractérisations effectuées, se comparent de façon favorable par rapport aux techniques classiques d'élaboration et de mise en œuvre.
Author: Nicolas Tissot
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Le procédé de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre (LBM) propose de nombreux avantages pour beaucoup de secteurs industriels par rapport à d'autres procédés conventionnels : formes complexes, allégement structural, temps de fabrication plus rapide, etc. Contrairement à de nombreux alliages déjà qualifiés industriellement, les alliages d'aluminium demeurent encore pénalisés lors de la mise en oeuvre avec ce procédé : réflectivité optique élevée, conductivité thermique importante, phénomène de fissuration ou encore porosité liée à la présence d'alumine non fondue. Les travaux réalisés au cours de cette thèse se sont portés sur l'amélioration des propriétés optiques des poudres d'aluminium par une approche de nanostructuration de la surface des particules. Pour cela, deux voies de fonctionnalisation des poudres ont été étudiées. La première s'est portée sur la réalisation de revêtements uniformes de silicium créant alors des phénomènes interférentiels et permettant de maximiser l'absorption optique à une longueur d'onde précise qui correspond à celle des lasers utilisés en LBM (1 064 nm). Les travaux basés sur un modèle utilisant la théorie de Mie ont permis d'identifier l'intérêt de déposer un revêtement de silicium de 215 nm augmentant ainsi l'absorbance d'une particule d'aluminium de 4 % à 25 %. La seconde solution étudiée est l'augmentation de la rugosité de la poudre d'aluminium par un dépôt en surface de particules nanométriques. Ce procédé a été réalisé par réduction chimique en voie liquide pour déposer du cuivre. L'objectif ici, en plus d'une augmentation de l'absorption optique, est la formation in situ d'un alliage Al-Cu lors du procédé de fusion laser. Après dépôt de cuivre, l'absorption optique de la poudre à 1 064 nm est améliorée de 70 %. Pour terminer, des essais de fusion laser de la poudre d'AlSi12 revêtue de 4 % massique de cuivre ont été réalisés pour étudier l'impact du revêtement sur la densité d'énergie permettant de fabriquer une pièce dense. Il a été constaté une diminution notable de cette densité en comparaison de celle d'autres alliages Al-Cu de la littérature, sans toutefois pouvoir attribuer ce résultat à la seule amélioration de l'absorption optique de la poudre dans la mesure où les alliages sont de stoechiométrie légèrement différente.
Author: Rayan Othmane
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« Grâce à ses multiples avantages, l’impression 3D révolutionne les méthodes de fabrication traditionnelles. Elle permet la production des pièces mécaniques à géométrie très complexe, plus légères et très résistantes. Lors de l’impression d’une pièce, seule une partie de la poudre étalée est fusionnée. La poudre non fusionnée peut ensuite être tamisée et réutilisée. Cette étude porte sur les effets du procédé de fusion de la poudre (L-PBF) et du recyclage de la poudre sur les caractéristiques de la poudre d’acier maraging et sur les propriétés mécaniques des pièces. Ce mémoire est structuré autour des deux articles qui ont été rédigés dans le cadre du projet. Le premier article présente les résultats de trois expériences relatives à l’analyse des effets du procédé de fusion sur les caractéristiques de la poudre. La première démontre que la taille des particules de poudre n’est pas uniforme dans le volume d’impression. Il est aussi démontré que la diminution de l'espacement entre les pièces imprimées change la distribution de la taille des particules (PSD) en augmentant la proportion de grosses particules. La dernière expérience montre que plus la structure des pièces en treillis est dense, plus le PSD et la morphologie du lit de poudre sont affectées. Ainsi, après douze cycles de recyclage, la taille des particules augmente et leur morphologie est dégradée. Le deuxième article évalue les effets du recyclage de la poudre sur les propriétés mécaniques des pièces. Après 8 cycles d’impression, la taille des particules de poudre a augmenté, la morphologie des particules est changée et les propriétés en traction et en fatigue sont restées globalement constantes. Cependant, l'écart type de la limite d'endurance des éprouvettes fabriquées avec la poudre recyclée 8 fois est plus faible que celui obtenu avec les éprouvettes issues de la poudre neuve. Enfin, l'analyse fractographique montre que les pièces fabriquées à partir de la poudre recyclée présentent plus défauts d’impression que les pièces fabriquées avec de la poudre neuve. -- Mot(s) clé(s) en français : Fabrication additive, procédé de fusion laser à lit de poudre (L-PBF), recyclage de la poudre, morphologie de la poudre, distribution de la taille des particules (PSD), pièces en treillis (lattices), éclaboussures. »--
Author: Mathieu Opprecht
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Author: Etienne Moquin
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Author: Zhidan Sun
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Pages : 187
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L’objectif de ce travail de thèse est de caractériser les propriétés mécaniques et analyser les mécanismes d’endommagement des alliages de cuivre à durcissement structural Cu-Ni-Si qui peuvent être utilisés dans la construction des cages d’écureuil des moteurs asynchrones. Une attention particulière est attachée à l’influence de l’exposition en température associée à la zone affectée thermiquement lors du brasage. Cette exposition provoque essentiellement une évolution de l’état de précipitation, qui est étudiée par MET. Dans l’alliage Cu-Ni-Si nous observons une augmentation de la taille des précipités Ni2Si, alors que l’état de précipitation évolue de façon plus complexe dans l’alliage Cu-Cr-Zr. Le comportement sous traction à rupture à différentes températures avec différentes vitesses de sollicitation a été étudié pour les deux alliages sous différents états. Le résultat montre que Cu-Ni-Si à l’état de réception présente un comportement anormal typique de la fragilisation dynamique avec une rupture fragile intergranulaire. Ce phénomène de fragilisation dynamique disparaît lorsque le matériau subit une exposition en température conduisant à un état “ sur-revenu ”. il n’apparaît pas non plus dans Cu-Cr-Zr. Nous avons dérivé de la littérature un modèle fondé sur la ségrégation intergranulaire d’un élément fragilisant. Celui-ci nous permet d’expliquer l’ensemble des résultats de façon qualitative ou quantitative. L’intervention de la fragilisation dynamique est aussi mise en évidence sous chargement cyclique pour Cu-Ni-Si. Dans ce cas, la contrainte moyenne positive joue le même rôle que celui de la contrainte de traction et chargement monotone
Author: Nan Kang
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La micro fusion laser d'un lit de poudre (SLM) permet la réalisation de pièces complexes avec des microstructuresfines. Cette technologie présente de nombreux avantages mais se heurte encore à une faible disponibilité des poudres d'alliages. En SLM, la pièce est d'abord conçue par CAO (conception assistée par ordinateur), puis construite couche par couche avec un faisceau laser commandé par un ordinateur. Dans ce cadre, le travail effectué dans cette thèse a consisté à étudier et à développer une nouvelle méthode pour réaliser des pièces en alliages et en composites à partir de mélanges de poudres élémentaires, ouvrant ainsi la voie à une grande variété de compositions.Au niveau expérimental le choix s'est porté sur le système aluminium-silicium avec différentes teneurs en silicium (12, 18 et 50% en poids). L'effet de l'ajout d'un champ magnétique statique a aussi été proposé comme un outil supplémentaire de contrôle de la microstructure.Dans le processus de fabrication de pièces par SLM la puissance du laser et la vitesse de balayage déterminent au premier chef la densité, la microstructure, la composition des phases et les propriétés mécaniques du produit. Une analyse systématique de l'effet de ces paramètres sur l'alliage Al - Si fabriqué par SLM à partir de mélanges de poudres est présentée. Des alliages ont été ainsi obtenus pour plusieurs domaines de composition visés correspondant à des applications pratiques (structures légères, système tribologique, emballage électronique, ...).Les microstructures fines obtenues grâce à la solidification rapide des matériaux fondus conduit à des propriétés quise comparent de façon favorable à celles obtenues avec les techniques classiques d'élaboration et de mise en oeuvre.
Author: Organisation internationale de normalisation
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Category : Manufacturing processes
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