Optimisation de la microchimie des alliages pour une impression 3D métal sans défaut


Optimisation de la microchimie des alliages pour une impression 3D métal sans défaut

Une nouvelle méthode développée par chercheurs de Texas A&M optimise les propriétés de l’alliage et les paramètres de traitement pour produire des pièces métalliques imprimées en 3D de qualité supérieure. Voici une micrographie électronique en couleur d’un alliage de poudre de nickel qui a été utilisé dans l’étude. Crédit photo : Raiyan Seede

Au cours des dernières décennies, l’impression 3D métallique a été le fer de lance des efforts visant à créer des pièces personnalisées aux formes complexes et aux fonctionnalités élevées. Mais comme les fabricants d’additifs ont choisi de plus en plus d’alliages pour leurs besoins d’impression 3D, il en va de même pour les défis de fabriquer des pièces uniformes et .

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de la Texas A&M University a encore affiné le processus de fabrication de pièces métalliques de haute qualité à l’aide de techniques d’impression 3D avec fusion laser sur lit de poudre. Grâce à une combinaison d’apprentissage automatique et d’expériences d’impression 3D à voie unique, ils ont identifié les chimies d’alliages et les paramètres de processus favorables, tels que la et la puissance du laser, nécessaires pour imprimer des pièces aux propriétés uniformes à l’échelle microscopique.

« Notre défi initial était de nous assurer que les pièces imprimées étaient exemptes de pores, car c’est le tueur évident pour fabriquer des objets aux propriétés mécaniques améliorées », a déclaré Raiyan Seede, doctorant au Département de science et génie des matériaux. « Mais après avoir relevé ce défi dans nos travaux précédents, dans cette étude, nous approfondissons le réglage fin de la microstructure des alliages afin que les propriétés de l’objet imprimé final puissent être mieux contrôlées à une échelle beaucoup plus fine qu’auparavant. »

Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue La fabrication additive.

Comme d’autres procédés d’impression 3D, la fusion laser sur lit de poudre permet également de construire des pièces métalliques 3D couche par couche. Le processus commence par rouler une fine couche de poudre métallique sur une plaque de base, puis faire fondre la poudre avec un faisceau laser le long de pistes qui tracent la conception en coupe de la pièce prévue. Ensuite, une autre couche de poudre est appliquée et le processus répété pour constituer progressivement la pièce finale.

Les poudres métalliques d’alliage utilisées pour la fabrication additive peuvent varier considérablement et contenir un mélange de métaux tels que le nickel, l’aluminium et le magnésium à des concentrations variables. Lors de l’impression, ces poudres refroidissent rapidement après avoir été chauffées par un faisceau laser. Étant donné que les métaux individuels dans la poudre d’alliage ont des propriétés de refroidissement très différentes et se solidifient par conséquent à des vitesses différentes, ce décalage peut produire un type d’erreur microscopique appelée microségrégation.

Optimisation de la microchimie des alliages pour une impression 3D métal sans défaut

Image au microscope électronique à balayage d’une section transversale de balayage laser unique d’un alliage nickel-zinc. Ici, des phases sombres riches en nickel nichent des phases plus claires avec une microstructure uniforme. Un pore peut également être observé dans la structure du bain de fusion. Crédit photo : Raiyan Seede

« Lorsque la poudre d’alliage refroidit, les métaux individuels peuvent précipiter », explique Seede. « Imaginez verser du sel dans l’eau. Il se dissoudra instantanément si la quantité de sel est faible, mais au fur et à mesure que vous versez plus de sel, les particules de sel en excès qui ne se dissolvent pas commenceront à précipiter sous forme de cristaux. Essentiellement, c’est ce qui se passe dans nos alliages métalliques lorsqu’ils refroidissent rapidement après l’impression. »

Il a déclaré que ce défaut apparaît sous la forme de minuscules poches contenant une concentration légèrement différente des composants métalliques par rapport aux autres zones de la pièce imprimée. Ces incohérences affectent les propriétés mécaniques de l’objet imprimé.

Pour remédier à ce micro-défaut, l’équipe de recherche a examiné la solidification de quatre alliages avec du nickel et un autre composant métallique. En particulier, pour chacun de ces alliages, ils ont examiné les états ou phases physiques qui existent à différentes températures afin d’augmenter les concentrations de l’autre métal dans l’alliage à base de nickel. À partir de diagrammes de phases détaillés, ils ont pu déterminer la composition chimique de l’alliage, ce qui conduirait à une microségrégation minimale dans la fabrication additive.

Ensuite, ils ont fait fondre une seule trace de la poudre de métal d’alliage pour divers réglages laser et ont déterminé les paramètres de processus qui entraîneraient des pièces sans porosité. Ensuite, ils ont combiné les informations des diagrammes de phases avec celles des expériences à voie unique pour obtenir une vue consolidée des réglages du laser et des compositions d’alliage de nickel qui aboutiraient à une pièce imprimée sans porosité et sans microségrégation.

Plus récemment, les chercheurs sont allés plus loin et ont formé des modèles d’apprentissage automatique pour identifier des modèles dans leurs données expérimentales à voie unique et leurs diagrammes de phases afin de développer une équation de microségrégation applicable à tout autre alliage. Seede a déclaré que l’équation a été conçue pour prédire l’étendue de la ségrégation en tenant compte de la zone de solidification, des propriétés des matériaux, de la puissance et de la vitesse du laser.

« Notre méthodologie facilite l’utilisation réussie d’alliages de différentes compositions pour la fabrication additive sans avoir besoin d’erreurs, même à micro-échelle », a déclaré Ibrahim Karaman, professeur Chevron I et chef du département de science et technologie des matériaux. « Ce travail sera très bénéfique pour les industries de l’aérospatiale, de l’automobile et de la défense, qui sont constamment à la recherche de meilleures façons de fabriquer des pièces métalliques sur mesure. »

Les associés de recherche Raymundo Arroyavé et Alaa Elwany ont ajouté que le caractère unique de leur méthodologie réside dans sa simplicité, qui peut être facilement adaptée par l’industrie pour construire des pièces robustes et impeccables avec un alliage de leur choix. Ils ont constaté que leur approche contrastait avec les efforts précédents qui reposaient principalement sur des expériences coûteuses et chronophages pour optimiser les conditions de traitement.


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Plus d’information:
Raiyan Seede et al., Impact of Composition and Phase Diagram Features on Printability and Microstructure in Laser-Powder Bed Fusion: Developing and Comparing Processing Maps Across Alloy Systems, La fabrication additive (2021). DOI : 10.1016 / j.addma.2021.102258

Fourni par l’Université A&M du Texas

Citation: Optimizing Alloy Microchemistry for Flawless 3D Metal Printing (2021, 28 septembre), consulté le 30 septembre 2021 à https://phys.org/news/2021-09-tweaking-alloy-microchemistry-flawless-metal.html

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