Contexte :
Il s’agit d’améliorer les propriétés des pièces en alliages de titane élaborées en fabrication additive arc fil (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM). C’est un procédé à haut taux de dépôt permettant de fabriquer des pièces de grand volume avec des pertes de matière minimales à moindre coût (en comparaison des procédés de fabrication additive à base de poudre). Les alliages de titane sont des matériaux particulièrement intéressants pour bon nombre d’applications industrielles comme l’aéronautique et la navale ou encore le biomédical. C’est un matériau onéreux, à forte valeur ajoutée, qui présente un rapport buy-to-fly relativement important en aéronautique (masse de matière achetée sur masse du produit fini). Il y a donc un intérêt stratégique et économique à investiguer ce matériau.
L’aéronautique et la navale sont deux branches industrielles visées par cette technologie.
Problématique :
L’objectif de la thèse est d’obtenir des pièces aux propriétés identiques voir supérieures à celles obtenues par les procédés classiques de fabrication soustractive (usinage) ou de forgeage. L’un des premiers verrous à lever est l’amélioration de la microstructure, particulièrement grossière et fortement orientée dans le cas du dépôt WAAM. Afin d’affiner cette microstructure, l’utilisation d’inoculants ou de vibrations au cours du dépôt semble pouvoir donner de bon résultats.
Voies envisagées :
La microstructure de l’alliage dépend donc de la solidification des grains β à haute température. Il est particulièrement difficile de restructurer l’alliage une fois que les grains primaires β se sont formés. C’est là que le procédé de fabrication additive pose problème pour fabriquer une pièce en totalité. En raison des cycles thermiques successifs et du passage par l’état liquide, la microstructure formée est particulièrement orientée et grossière à cause de la solidification rapide en épitaxie couche après couche. Un des leviers pour jouer sur la taille de la microstructure primaire est de bloquer cette croissance en épitaxie à partir de l’interface solide/liquide et ainsi empêcher la croissance préférentielle des grains dans le sens d’écoulement de la chaleur. Pour y parvenir, plusieurs pistes sont actuellement étudiées.
La première, est l’utilisation de vibrations sous différentes formes. En fonderie, avec de gros volumes de métal en fusion, la solidification se fait généralement à partir de la surface du moule et est dirigée vers le centre, donnant une microstructure colonnaire grossière sur une partie de la pièce. L’idée est de casser ces dendrites au cours de la solidification et d’amener par la mise en mouvement du bain des germes (bras de dendrites brisés) dans le bain. Ces bras de dendrites servent de sites de germination au cœur du liquide et permettent de s’approcher d’une microstructure équiaxe. Généralement cette méthode utilise des vibrations basses fréquences (<100Hz). En favorisant la germination hétérogène à partir de très nombreux germes bien répartis dans tout le bain fondu, on peut obtenir des grains équiaxes de dimensions bien plus petites. L’enjeu est ici de trouver comment transposer cette méthode au procédé WAAM, qui est très différent d’un procédé classique de fonderie du point de vue des vitesses de refroidissement et du volume de métal liquide. Dans la littérature, la plupart des systèmes de vibration appliqués à la fabrication additive utilisent des vibrations ultrasonores (>20 kHz), censées être plus efficaces sur des zones fondues réduites se solidifiant rapidement.
Une seconde méthode, testée et étudiée dans de nombreux laboratoires aujourd’hui, est l’ajout d’inoculants dans le bain fondu. Un inoculant est utilisé pour servir de site de germination lors de la solidification. Il est ajouté dans le liquide et n’est généralement pas fondu ou peut se former par réaction chimique durant la fusion. Il n’a également pas la même nature chimique que l’alliage en question. Pour les alliages de titane comme le Ti-6Al-4V, la difficulté est de rester dans la plage de composition chimique imposée par la norme, pour ne pas changer la nature de l’alliage. En effet, selon la norme, les éléments d’additions ne peuvent pas dépasser 0,1%w dans le métal déposé, ce qui rend l’inoculation plus difficile.
Travaux réalisés :
Dans un premier temps, il a fallu trouver les bons paramètres de dépôt et concevoir un système d’inertage afin de garantir une qualité de soudure suffisante avec peu d’oxygène, qui s’avère particulièrement néfaste sur les propriétés du titane. La fabrication en boite inerte a été réalisé et donne des résultats satisfaisants. Par la suite, des essais ont été menés sur différents ajouts d’inoculants afin de démontrer leur efficacité. Ce qui nous a permis de cibler notamment des éléments pertinents comme le bore, l’oxyde de lanthane ou encore l’oxyde d’yttrium et l’yttrium métallique. Ces éléments sont particulièrement intéressants car ils semblent montrer des résultats encourageants sur la taille des grains β primaire et réduise considérablement la croissance en épitaxie à faible teneur. Cependant, l’impact de ceux-ci n’est pas suffisant pour obtenir une microstructure équiaxe. L’yttrium métallique pourrait quant à lui permettre d’avoir un effet plus prononcé sur la microstructure.
Une seconde option est aussi envisagée pour réduire la taille des grains issue du soudage : Il s’agit d’un procédé de vibration ultrasonore transmise via le fil d’apport plongé directement dans le bain liquide.
Cette méthode permet d’avoir un point solide au centre du bain fondu vibrant dans les ultrasons. Les effets des vibrations de cette méthode seront probablement plus réguliers sur la pièce que l’utilisation d’une source fixe.
Pour caractériser la microstructure à l’issue de la fabrication différentes analyses ont été réalisés pendant cette thèse :
- Des analyses optiques de taille de grains
- Des mesures de duretés.
- Des images MEB (SE/BSE)
- De l’EBSD pour les textures
Pour conclure la thèse des essais mécaniques et des traitements thermiques pourront venir valider l’impact des essais d’améliorations proposés.
