Frittage laser indirect de composites métalliques complexes

Frittage laser indirect de composites métalliques
complexes base Al
S. Kenzari
Centre de Compétences ‘Matériaux et Procédés Additifs’
[email protected]
Institut Jean Lamour, Parc de Saurupt, Nancy
Les grandes lignes
Ø Fabrication additive par SLS
Selective laser Sintering
Ø Fabrication indirecte de pièces métalliques
Ø Vers des matériaux légers base Al et base Al Complexe
Ø Conclusions/Perspectives
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Colloque 'La métallurgie en fabrication additive', ENSAM, 18-19 novembre 2015, Paris.
Quelques procédés de Fabrication Additive
Fusion de poudre
Projection/dépôt
Apport direct
Lit de poudre
Electrons
Objets
Métalliques
EBM
Laser IR
Laser IR
Métalliques
Polymères
et
Métalliques
SLM
Impression 3D
SLS
Objets
Métalliques
CLAD
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Photo
polymérisation
Dépôt direct de thermoplastiques,
Epoxy, liants…
Laser UV
Objets
Polymères,
Composites
SLA
Objets
Polymères,
Composites
FDM
3
Procédé SLS
x-y scanning mirror
CO2
Laser
Laser beam
Lens
N2 atmosphere
Sliced
CAD part
Powder
feed
supply
Powder
feed
supply
SLS Part
Build
chamber
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Procédé SLS : 2 types de fabrication
Frittage laser sélectif
(SLS: Selective Laser Sintering)
Fabrication Directe
Pièces ‘bonne matière’
utilisables directement
Fabrication Indirecte
- Polyamide (nylon)
- Composites polymères
Plusieurs étapes nécessaires
- Composite Acier/Bronze
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Procédé SLS
Frittage laser sélectif
(SLS: Selective Laser Sintering)
Fabrication Indirecte
- Composite Acier/Bronze
1- SLS acier + nylon (préforme poreuse)
• Nylon agit comme liant
• ≈ 40 vol.% de porosités
• Préforme manipulable
2- Infiltration du bronze
Tf °C bronze < Tf °C acier
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Images MEB d’une préforme poreuse
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Infiltration
T (°C)
Fabrication Indirecte
Composite Acier/Bronze
500
300
1100
1
Temps (h)
10
Préparation
Poudre d’alumine
14
24
Cycle thermique
Préforme poreuse
1. Déliantage
2. Infiltration
Bronze
Creuset
Plaque
d’alimentation
Atmosphère N2
7
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Infiltration
T (°C)
Fabrication Indirecte
Composite Acier/Bronze
1100
2
Temps (h)
10
Préparation
Poudre d’alumine
14
24
Cycle thermique
Préforme infiltrée
1. Déliantage
2. Infiltration
Bronze
Creuset
Plaque
d’alimentation
Atmosphère N2
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Infiltration
Fabrication Indirecte
Composite Acier/Bronze
T (°C)
Acier
Bronze
1100
10
14
24
Temps (h)
Pièce Acier/Bronze
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Vers des matériaux légers :
- Les alliages d’aluminium
- Les CMAs : Alliages Métalliques Complexes base Al
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Matériaux base Al
Composite Al1 / Al2
Composite Acier/Bronze
1- SLS acier + nylon (préforme poreuse)
• Nylon agit comme liant
• ≈ 40 vol.% de porosités
• Préforme manipulable
1- SLS : Al1 + 10 %v. nylon
2- Nitruration de la préforme Al1
3- Infiltration d’Al2 dans la préforme Al-AlN
Tf °C Al2 < Tf °C préforme Al1
≈ 2.7 g/cm3
2- Infiltration du bronze
Tf °C bronze < Tf °C acier
≈ 8 g/cm3
35 mm
T.B. Sercombe and G.B. Schaffer, Science 301 (2003)
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Matériaux base Al
Composite Al1 / Al2
1- SLS : Al1 + 10 %v. nylon
2- Nitruration de la préforme Al1
3- Infiltration d’Al2 dans la préforme Al-AlN
Tf °C Al2 < Tf °C préforme Al1
Al1
AlN
Al2
T.B. Sercombe and G.B. Schaffer
Acta Mater. 52 (10), (2004)
Le traitement de nitruration est obligatoire pour l’infiltration
totale de la préforme Al1 par Al2
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Matériaux base Al
Composite Al1 / Al2
1- SLS : Al1 + 10 %v. nylon
2- Nitruration de la préforme Al1
3- Infiltration d’Al2 dans la préforme Al-AlN
Tf °C Al2 < Tf °C préforme Al1
Propagation des fissures à travers
l’interface AlN/infiltrant
T.B. Sercombe and G.B. Schaffer, Science 301 (2003)
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Propagation des fissures à
l’interface AlN/infiltrant
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Vers des matériaux légers :
- Les alliages d’aluminium
- Les CMAs : Alliages Métalliques Complexes base Al
S. Kenzari, D. Bonina, J.M. Dubois, V. Fournée
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Vers des matériaux légers :
- Les alliages d’aluminium
- Les CMAs : Alliages Métalliques Complexes base Al
D. Shechtman et al.,
Phys. Rev. Lett. 53, 1951, 1984
L. Bindi et al., Science 324, 1306, 2009
H. Takakura et al., vol 6 (2007)
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Alliages Métalliques Complexes Base Al
Composite Al1 / Al2
Composite Al-CMA / Al
1- SLS : Al1 + 10 %v. nylon
1- Préforme CMA + 10 %v. nylon
2- Nitruration de la préforme Al1
2- Nitruration de la préforme CMA
3- Infiltration d’Al2 dans la préforme Al-AlN
Tf °C Al2 < Tf °C préforme Al1
3- Infiltration d’Al dans la préforme CMA
Tf °C Al < Tf °C préforme CMA
Préformes
E
(Gpa)
Dureté
(Hv)
Densité
(g.cm-3)
Stab. Thermique
(°C)
Alliages Al
≈ 70
50 - 320
2,7
550 - 660
CMA - AlCuFe(X)
160 - 200
600 - 900
4
800 - 900
Acier
≈ 200
300 - 1000
7,8
> 1300
AlCuFe(X) => i-AlCuFe(B) ; O-AlCuFe(Cr)
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Mise en forme des préformes CMA
Traitement thermique
Mise en forme
Tamisage
(sélection granulométrique)
Moule inox
Mélange avec le liant
≈ 40-50%
porosités
Infiltration
Préformes
Préforme simple, facilement manipulable
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Infiltration
Composite CMA / Al
1- Préforme CMA + 10 %v. nylon
2- Nitruration de la préforme CMA
3- Infiltration d’Al dans la préforme CMA
Tf °C Al < Tf °C préforme CMA
Préformes
T (°C)
Poudres
Alumine + Mg
750°C
Préforme
CMA
7
Al
Creuset
CMA
10
Temps (h)
17
Nitruration évitée
sous vide ou Argon
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Infiltration
Préforme
Pièce infiltrée Al
AlCuFe-(B) > 38 μm
AlCuFe-(B) 25-38 μm
La granulométrie et la nature chimique
des préformes influencent directement la
réussite du procédé
AlCuFe-(Cr) 25-38 μm
La présence de Cr entraîne une
cinétique d’infiltration ralentie
19
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Infiltration
Al
Cu
Fe
Mg
Aluminium
Eutectique de type MgCu
AlCuFe-(B) 25-38 μm
La granulométrie et la nature chimique
des préformes influencent directement la
réussite du procédé
AlCuFe-(Cr) 25-38 μm
La présence de Cr entraîne une
cinétique d’infiltration ralentie
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Pièces SLS : CMA base Al
Composite CMA / Al
Préforme
Quasicristalline
AlCuFe(B)
1- SLS : CMA + 10 %v. nylon
2- Nitruration de la préforme CMA
3- Infiltration d’Al dans la préforme CMA
Tf °C Al < Tf °C préforme CMA
10 mm
T (°C)
Poudres
Alumine + Mg
750°C
Préforme
AlCuFe(B)
7
Al
10
Temps (h)
17
Creuset
AlCuFe(B)
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Pièces SLS : CMA base Al
Composite CMA / Al
Préforme
Quasicristalline
AlCuFe(B)
1- SLS : CMA + 10 %v. nylon
2- Infiltration d’Al dans la préforme CMA
Tf °C Al < Tf °C préforme CMA
10 mm
AlCuFe(B) infiltrée par Al (98%)
Al (98%)
La préforme est infiltrée par Al
10 mm
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Pièces SLS : CMA base Al
Composite CMA / Al
1- SLS : CMA + 10 %v. nylon
2- Infiltration d’Al dans la préforme CMA
Tf °C Al < Tf °C préforme CMA
AlCuFe(B) infiltrée par Al (98%)
piŠce coeur
Après infiltration
...L'aluminium n'est pas détecté dans la pièce
10000
Al + (i + β)p
Alliage (ω + i)
piŠce coeur
9000
8000
Ico + Omega + ...
ω-Al7Cu2Fe + i-AlCuFeB
10000
7000
Lin (Counts)
750°C
Infiltrant Préforme
Pièce
...L'aluminium n'est pas détecté dans la pièce
9000
6000
8000
5000
Ico + Omega + ...
7000
Lin (Counts)
4000
6000
3000
5000
Ico + Betha
2000
Préforme
4000
1000
3000
Propriétés :
0
Ico + Betha
i-AlCuFeB + β-Al50(CuFe)
50
Densité ≈ 4 g/cm 3
Porosités < 5 vol.%
Dureté : 350 – 400 Hv
2000
17
20
30
40
50
60
70
80
90
2-Theta - Scale
piŠce coeur - File: INF19.RAW - Type: 2Th/Th locked - Start: 14.85834 ° - End: 114.92323 ° - Step: 0.03202 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 0 s - 2-Theta: 14.85834 ° - Theta: 7.50000
Operations: Y Scale Add 3200 | Displacement 0.250 | Background 1.000,0.000 | Import
AlCuFeB-R1 - File: SGR1.RAW - Type: 2Th/Th locked - Start: 15.56664 ° - End: 90.41211 ° - Step: 0.03193 ° - Step time: 1. s - Temp.: n.a. - Time Started: 0 s - 2-Theta: 15.56664 ° - Theta: 7.50000 ° - Chi: 0.
Operations: Displacement -1.000 | Y Scale Mul 0.208 | Background 0.000,0.000 | Import
1000
0
17
20
30
40
20
30
40
50
60
70
80
50
60
70
80
2-Theta - Scale
90
90
piŠce coeur - File: INF19.RAW - Type: 2Th/Th locked - Start: 14.85834 ° - End: 114.92323 ° - Step: 0.03202 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 0 s - 2-Theta: 14.85834 ° - Theta: 7.50000
Operations: Y Scale Add 3200 | Displacement 0.250 | Background 1.000,0.000 | Import
AlCuFeB-R1 - File: SGR1.RAW - Type: 2Th/Th locked - Start: 15.56664 ° - End: 90.41211 ° - Step: 0.03193 ° - Step time: 1. s - Temp.: n.a. - Time Started: 0 s - 2-Theta: 15.56664 ° - Theta: 7.50000 ° - Chi: 0.
Operations: Displacement -1.000 | Y Scale Mul 0.208 | Background 0.000,0.000 | Import
2 θ (°)
λCoKα1 = 1.788965 Å
23
Colloque 'La métallurgie en fabrication additive', ENSAM, 18-19 novembre 2015, Paris.
Colloque 'La métallurgie en fabrication additive', ENSAM, 18-19 novembre 2015, Paris.
Conclusions - Perspectives
Ø La fabrication d’objets base Al est possible par SLS mais les propriétés
sont limitées (stabilité dimensionnelle, mécaniques)
Ø Ces travaux montrent une application potentielle des CMAs mais
nécessitent encore d’être optimisés. L’étude reste ouverte...
Brevet FR2929541
S. Kenzari et V. Fournée
Additive manufacturing of light-weight, fully metallic components using quasicrystals
S. Kenzari et al., Journal of Materials Processing Technology, 2014
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Frittage laser indirect de composites métalliques
complexes base Al
S. Kenzari
Centre de Compétences ‘Matériaux et Procédés Additifs’
[email protected]
Institut Jean Lamour, Parc de Saurupt, Nancy