HIP, Brasing and Nitriding - WordPress.com...2016/11/10 · Les post-traitements thermiques Les...
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Les Traitements Post-Fabrication Additive:HIP, Brasage et Nitruration
The Additive Manufacturing post-Heat Treatments: HIP, Brasing and Nitriding
5ème Séminaire Bodycote / Air Liquide, 13-14 oct. 2016, Lyon.
Patrick Jacquot
Reproduction interdite de tout ou partie de ce document sans l’accord des auteurs,
copyright: Bodycote.
Tom Enders PDG du groupe AIRBUS,
déclare le 20 mai 2016
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LA FABRICATION ADDITIVE ?
« C’est fabriquer à la fois : - une pièce, - une forme,- un design,
mais aussi: un Matériau »
La fabrication additive de pièces métalliques: Rêve ou réalité ? Evolution ou Révolution ?
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Photographies: Patrick JACQUOT
TTH sur fabrication additive
Avant HIP
Photographies: Patrick JACQUOT
TTH sur fabrication additive
Avant HIP
Photographies: Patrick JACQUOT
OUTILLAGES REFROIDIS par Conformal coolingEchangeur thermique
Moule pour injection alu
Source: IPC (ex PEP)
Acier Maraging 300, brasé, nitruré
Cette technologie concerne actuellement
de faibles volumes de production à court terme.
Toutefois, il est constaté un fort développement
principalement sur des marchés de haute valeur ajoutée (aéro, médical, spatial, défense, outillages, luxe)
avec des matériaux variés
(17-4PH, 316L, Maraging, Inconel 718 et 625, René 77, Hastelloy X, AlSi10Mg, titane T40, TA6V, Co-Cr-Mo)
TENDANCES ACTUELLES
(17-4PH, 316L, Maraging, Inconel 718 et 625, René 77, Hastelloy X, AlSi10Mg, titane T40, TA6V, Co-Cr-Mo)
et des besoins spécifiques
(design complexe, allégement, refroidissement contrôlé, texturation de surface, …)
La fabrication additive de pièces métalliques ??
C’est un process de fabrication du début du 21ème siècle
C’est aussi l’ouverture à l’usine numérique et à la fabrication à partir de processus digitalisé
C’est une révolution industrielle qui bouleverse les pratiques établies
Mais c’est aussi: Un immense challenge à relever car les enjeux sont considérables
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Mais c’est aussi: Un immense challenge à relever car les enjeux sont considérables et quoiqu’il en soit le processus est en marche
et rien ne l’arrêtera
C’est une remise en cause des modes de fabrication basés sur la fabrication soustractive
C’est une nouvelle chaîne de fabrication, de validation et de contrôle qui est à construire
C’est au final, une technologie toutefois plutôt complémentaire aux procédés actuels
La fabrication additive de pièces métalliques ??
Une méthode qui intègre plusieurs changements fondamentaux à la fois:
la conception numérique,
l’optimisation des formes 3D
et des fonctions (allégement, refroid.),
une fabrication proche des cotes finales,
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une fabrication proche des cotes finales,
un taux optimisé de matière première utilisée,
un degré élevé de liberté de forme jusqu’au plus complexe, et à moindre coût
une nouvelle métallurgie à maitriser,
une santé métallurgique à optimiser et à contrôler,
une multiplicité de stratégies de construction couche par couche
correspondant à des métallurgies différentes,
des post traitements à tester et valider….
Un processus interactif et plus complexe qu’il n’y paraît
Poudresalliages existants
ou adaptés
propriétés
Fusion sous faisceau bain liquide
Contrôle du champ
thermique
Contrôle Paramètres procédé
Puissance, vitesse
de dépôt
Structure Méthode de supportage
Stratégies de stratification
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Structure métallurgique
brute de fabrication
Solidification rapide et Mode de
refroidissementCouches /couches
supportagedes pièces
Création de gradient
thermique
Création de contraintes
stratification ou de balayage
laser
Transformations de phases
Pièces fabriquées additivepar empilements de
couches de poudre fondue
l’une après l’autre
Un processus interactif
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Paramètres Machine Fusion laser, puissance,
stratégie , vitesse …
Poudre métallique granulométrie, composition,
morphologie ...
Propriétés mécaniques
Structure Santé
Métallurgique
Microstructures et Traitements Thermiques
Microsoudagelaser
Faisceau laser
Poudre 20 – 60 µm
Couche de poudre fondue
Microstructure très fine
Mais morphologie hétérogène
Composition chimique locale inhomogène
Anisotropie importantes
TRAITEMENTS THERMIQUESMinimum : détente (laser)
Conseillé: - Remise en solution
-Recuit d’homogénéisation-Vieillissement (PH)
-Mise en solution/Trempe /revenu (Alu, nickel)-Hypertrempe (inox)
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poudre fondue
Bain de fusionLargeur: 100 µm
Épaisseur: 30-100 µm
Solidification d’une couche
Réchauffement par les couches voisines
en fusion
Gradients thermiques hétérogènes
Création de contraintes internes
importantesdes propriétésFaible ténacitéStructure sous
contraintePrésence éventuelle de microporosités
-Hypertrempe (inox)-Densification totale: HIP
(titane, base nickel)-Assemblage par brasage,
soudage FE-Durcissements superficiels (nitruration, cémentation)
Les post-traitements thermiquesLes buts recherchés
1) Relaxation des contraintes internes:- Suppression du risque de fissuration prématurée ou différée
- Maitrise des déformations de la pièce finale
2) Amélioration de la microstructure des alliages- Limitation de l’anisotropie
- Homogénéisation de la structure
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3) Augmentation des propriétés mécaniques - Atteindre les caractéristiques requises pour l’utilisation
- Résistance à la traction, allongement à rupture, résilience, tenue en fatigue
4) Faciliter les opérations de finition de surface- par des méthodes mécaniques ou chimiques
5) Assurer une densification interne totale - garant d’une grande fiabilité à l’emploi ou du respect des règles de sécurité
(aéronautique, médical)
Le détensionnement - la relaxation des contraintes
Origine des contraintes résiduelles:
Elles proviennent d’alternance de cycles thermiques et de la création d’importants gradients thermiques
se produisant au sein de la pièce au cours de sa fabrication.
Les gradients de température induisent des déformations plastiques hétérogènes
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des déformations plastiques hétérogèneset de ce fait des contraintes résiduelles.
Les contraintes thermiques générées
par les cycles d’expansion et de contraction des couches solidifiées
peuvent dépasser la limite élastique du matériau.
Pourquoi relaxer les contraintes résiduelles ?
Les contraintes résiduelles de traction favorisent le risque de fissuration
Le détensionnement - la relaxation des contraintes
Les contraintes à l’état brut sont élevées et peuvent atteindre près de
500 MPa en traction(mesures CETIM)
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Les contraintes résiduelles de traction favorisent le risque de fissurationdirectement sur le plateau support ou lors de la séparation support / pièces,
voir après lors de l’utilisation en service des pièces.
Les contraintes génèrent aussi des déformations de forme.
Le traitement thermique de relaxation n’est pas facultatif,
il est impératif !
L’élimination des contraintes permet de remettre les pièces dans un état d’équilibre plus stable et de maitriser les déformations finales des pièces.
Marchés: Aéro, Médical, Outillages, Défense, Energie, Recherche
Matériaux: René 77, Inconel 718, 625, HX, TA6V, CoCr, alliages d’aluminium: AlSi10G,
Maraging 300, inox 316L, 17- 4 PH, 15 – 5 PH, EOS SS-CX-M290
Traitement Thermomécanique:
Compression Isostatique à Chaud CIC (HIP)
Traitement Thermique:
Détente, recuit, hypertrempe, mise en solution, vieillissement
POST-TRAITEMENTS REALISES PAR BODYCOTE
Détente, recuit, hypertrempe, mise en solution, vieillissement
Traitement Thermochimique:
Nitruration ionique, cémentation BP
Assemblage:
Brasage, soudage par faisceau d’électrons
Ex. de détensionnement réalisé sur TA6V:
On peut se référer aux normes suivantes:
-ASTM F 3001: pièces en titane issues de la fabrication additive par fusion en lit de poudre
- AMS 2801: relative aux traitements thermiques du titane
- AMS – H – 81200: idem
-Détente TA6V: 59O °C +/- 14°C , 2 h (AMS 2801)
Le détensionnement - la relaxation des contraintes
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-Détente TA6V: 59O °C +/- 14°C , 2 h (AMS 2801)
-Détente TA6V: 480 – 650 °C +/- 14°C , 1 - 4 h (AMS H - 81200)
-Ex. Détente sur base Co-Cr:600°C – 2 h
1 – Fours de Traitement Thermique sous Vide
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Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acier Maraging(X3NiCoMoTi18-9-5)
Collaboration IPC (exPEP) - Bodycote
Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acier Maraging (X3NiCoMoTi18-9-5)
Maraging brut de déposition sans et avec vieillisement à 490°C – 6 h en four sous vide
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Mono cordon 1D
Multi cordon 1D Collaboration IPC (ex PEP) - Bodycote
Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acierMaraging (X3NiCoMoTi18-9-5)
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Multi cordon structure 3D brut de déposition coupe AA et coupe BB perpendiculaire
Collaboration IPC (exPEP) - Bodycote
Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acierMaraging (X3NiCoMoTi18-9-5)
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Multi cordon structure 3D vielli coupe AA et coupe BB perpendiculaire
Collaboration PEP - Bodycote
Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acier Maraging (X3NiCoMoTi18-9-5)
Etat de surface brut de déposition ou après lasérisation de surface
23 Collaboration PEP - Bodycote
Nitruration ionique acier Maraging 300
Filiations de microdureté
700
750
800
Mic
rod
ure
té (
HV
0,1
kg
± 1
0)
Avant HIP
400
450
500
550
600
650
700
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6Profondeur (mm)
Mic
rod
ure
té (
HV
0,1
kg
± 1
0)
Mesure 1 Mesure 2
Principe du CIC - HIP
La compression isostatique à chaud (C.I.C. ou H.I.P.) consiste à combiner l’effet d’une forte pression appliquée en tous points, par un gaz neutre à une
Pression: 1000 – 2000 Bar
Température: 600 – 2000°C
Gaz: Argon
neutre à une température élevée.
Cette combinaison
permet de supprimer les
vides (retassure, porosité
interne) par déformation
plastique, puis fluage et
diffusion des atomes
ou/et des lacunes .
Equipement de Compression Isostatique à Chaud - HIP
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La compression isostatique à chaud permet :de supprimer les porosités fermées non débouchantes présentent dans les pièces fabriquées en additive , avec comme gain :
Une meilleur reproductibilité des résultats et
propriétés mécaniques
Un accroissement de la limite de fatigue, de la
ductilité
Applicable sur: aciers, base nickel,
alliages d’aluminium, cobalt chrome,
alliages de titane, céramiques
Ex. de traitement CIC sur fabrication additive
INCONEL 718 (Ni55-Cr20-Nb5-Mo3-Ti-Al)
CIC à 1160°C – 3h – 1020 Bar - Argon
TA6V: CIC à 920°C – 2h – 1000 Bar - Argon
27Avant HIP Aprés HIP
Aprés HIP
Ex. de trait. CIC sur fabrication additive –TA6V
Avant HIP
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Avant HIP
Avant HIP
Avant HIP
Ex. CIC sur fabrication additive TA6V
Après HIPAprès HIP
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Avant HIP Avant HIP
Après HIP
Après HIP
Après HIP
Après HIP
après HIP structure α + β recristallisée
Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acierMaraging (X3NiCoMoTi18-9-5) après HIP
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Multi cordon structure 3D HIPée coupe AA et HIPée vieillie coupe AA
Collaboration IPC (exPEP) - Bodycote
Ex. d’assemblage par Brasage sous Vide sur fabrication additive
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Cette méthode permet de réaliser des pièces multi-matériaux
de forme très complexe et/ou de grande taille
avec possibilité de finition de surface de certaine zone critique avant assemblage
Joint brasé à base nickel de 25 – 30 µm
entre Inconel et base cobalt
Joint brasé à base or de 50 µm
entre Maraging MS1et X15 (X40CrMoVN16.2)
Conclusion
La fabrication additive de pièces industrielles se développent de façon irrémédiable, sur des pièces complexes et à forte valeur ajoutée.
La technologie nécessite encore des mises au point afin d’assurer un standard de qualité et de performance en service élevés.
De nombreuses pièces sont en développement afin d’obtenir une qualification ou surmonter des batteries de tests de validation.
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ou surmonter des batteries de tests de validation.
Les opérations de traitement thermique et thermomécanique jouent un rôle essentiel dans la chaîne de fabrication additive pour améliorer grandement, les
performances métallurgiques des microstructures produites.
Ceci nécessite la maitrise d’équipements adaptés, des qualifications spécifiques et un savoir-faire, basé sur l’expérience industrielle,
afin de garantir une prestation élevée, à un coût étudié.
Bodycote est à votre service pour vous accompagner dans cette démarche