1 Université de Technologie de Belfort-Montbéliard Site de Sévenans - 90010 Belfort cedex – France - lermps.utbm.fr

Rapporteur: Bo SONG

Directeur de thèse : Christian CODDET

2013.05.06

Fabrication de composite à matrice métallique

par fusion laser sélective

Assises Européennes de la Fabrication Additive, les 24, 25, 26 et 27 Juin 2013 à l'Ecole Centrale Paris

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Sommaire

Contexte de l’étude

Fabrication de pièces métalliques à partir de

poudres Fer

Fabrication de composites à matrice métallique

à partir d’un mélange de poudres Fer et SiC

Conclusions

3

Fusion Sélective par Laser

Type de machine au laboratoire

MCP Realizer

1. Puissance max. : 100 W

2. Longueur d’onde : 1064 nm

3. Diamètre de spot entre 34 et 250 µm

4. Atmosphère : argon

Fusion sélective par laser est une technologie de fabrication

additive (AM). Elle permet la production rapide de pièces en

trois dimensions (3D) de formes complexes directement à

partir de poudre.

SLM

4

Choix des matériaux

Deux poudres SiC sont choisies pour étudier l’influence de la taille

de la poudre sur la microstructure et les propriétés

SiC de taille micro

SiC de taille micro et nano

--Particules SiC micro pour améliorer la résistance

--Particules SiC nano après décomposition pour le renforcement par

solution solide,

nano SiC conservé pour la nucléation hétérogène et le renforcement

par dispersion

Le rapport en volume de SiC est de 5% .

Les poudres Fe/SiC sont mélangées pendant 2 heurs .

Une poudre Fer est choisie comme matrice de composite

5

Poudre Fer Poudre SiC micro Poudre SiC micro et nano

Caractéristiques des poudres Fe/SiC

6

Caractéristiques des poudres Fe/SiC

7

diamètre du faisceau laser: 34 mm

puissance laser: 100 W

espacement des lignes de balayage: 40 mm

épaisseur de chaque couche de poudre: 50 mm

vitesse de balayage: 0,33 m/s

motif en zigzag avec une rotation de 90o entre les couches adjacentes

Paramètres expérimentaux

8

Préparation des éprouvettes à partir de poudre Fer

9

Microstructure

Vue en dessus

Vue en coupe

Vue de face Direction de construction

Laser

10

One grain

Dislocation

loops

Balls

A

B

A

B

(d)

Observation MET

11

E (GPa) σ0,2(MPa) UTS (MPa)

Fer 208±16 256±17 357±22

Après recuit 188±15 352±22 401±25

Reference [1] 125-293 98-166 158-225

Propriétés mécaniques

SLM avec la vitesse de

refroidissement élevée

(environ 5x106 K/s)

Affinement des grains

Forte densité de dislocations

Mécanismes d'auto-renforcement

[1] D. William, Jr. Callister, Materials Science and Engineering: An Introduction, fifth ed., Wiley, New York, 2000.

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Préparation des éprouvettes à partir d’un

mélange de poudre Fer et SiC

13

Grains

allongés

Trace de fusion

Trashs

Direction de la

construction

Morphologie de surface et

métallographique

Laser

Fe Fe/SiC micro Fe/SiC micro-nano

14

Fe Fe/SiC micro Fe/SiC micro-nano

Microstructure

15

Analyse des éléments

SiC

16

Fe/SiC micro

Fe/SiC micro et nano

Distributions des particules SiC

17

Analyse des phases

(110)

18

SAD-1

SAD-2

SAD-1

SAD-2

Observation MET de Fe/SiC micro et nano

19

E (GPa) σ0,2(MPa) UTS (MPa)

Fe 208±16 256±17 357±22

Fe/SiC micro 202±10 140±35 704±20

Fe/SiC micro et nano 210±11 302±12 764±15

Fe/SiC micro et nano

après recuit

212±12 310±12 739±14

Propriétés mécaniques

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Petites fossettes

Grandes fossettes

A

Fe Fe/SiC micro Fe/SiC micro et nano

Surfaces de rupture en traction

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Conclusions

La pièce fer fabriquée par SLM est beaucoup plus forte que le standard avec un module d'élasticité de 208,7 GPa, une résistance à la traction de 356 MPa et une limite élastique

de 292 MPa. Après recuit, le module élastique diminue à 188 GPa, la résistance à la rupture est améliorée à 401 MPa et la limite d'élasticité augmente à 352 MPa.

L'affinement des grains apparaît comme un mécanisme de renforcement le plus important, suivi par le travail du durcissement, découlant des vitesses de refroidissement élevées.

Avec les particules de SiC, la modification structurelle est observée avec la formation des produits de transformation perlitique et martensite.

Par ailleurs, la présence de grains nanométriques de fer et d’amorphe fer est observée, en plus des conservations des particules de SiC micro et nano.

Par rapport avec la pièce fer pur, les pieces Fe/SiC présentent des forces bien plus élevées, avec une résistance ultime à la traction jusqu'à 764±15 MPa en raison de transfert de charge et des changements de microstructure de la matrice.

Pour Fe

Pour Fe/SiC

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Merci de votre attention !

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Rapporteur: Bo SONG

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par fusion laser sélective

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