Aciers CrMnNi métastables traités par fusion laser sur lit de poudre : évaluation expérimentale des mécanismes élémentaires contribuant à la microstructure, aux propriétés et aux contraintes résiduelles

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21862 (2022) Citer cet article

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L’histoire thermique complexe imposée par le procédé de fusion de métaux sur lit de poudre au laser (PBF-LB/M) est connue pour favoriser l’évolution de microstructures uniques. Dans la présente étude, des aciers CrMnNi métastables avec différentes teneurs en nickel et donc différentes stabilités de phase sont fabriqués par PBF-LB/M. Les résultats révèlent clairement qu'un choix adéquat de matériaux permettra d'adapter les propriétés mécaniques ainsi que les états de contraintes résiduelles dans le matériau tel que construit pour éventuellement redondant tout post-traitement thermique. Les différences chimiques conduisent à des constitutions de phases différentes dans les conditions de construction et affectent ainsi l'évolution de la microstructure et les mécanismes de déformation élémentaires lors de la déformation, c'est-à-dire le maclage et la transformation martensitique. De tels alliages conçus pour la fabrication additive (FA) mettent en évidence la possibilité de relever les défis bien connus de la fabrication additive, tels que la tolérance limitée aux dommages, la porosité et les états de contrainte résiduelle préjudiciables, sans effectuer de post-traitements, par exemple, la relaxation des contraintes et le pressage isostatique à chaud. Du point de vue d’une conception robuste des composants de fabrication additive, il semble en effet être une approche très efficace pour adapter le matériau aux caractéristiques du processus de fabrication additive.

Au cours de la dernière décennie, les processus de fabrication additive (FA), tels que la fusion de métaux sur lit de poudre par laser (PBF-LB/M) (également connue sous le nom de fusion sur lit de poudre laser (LPBF) ou fusion sélective par laser (SLM)), ont évolué de techniques utilisées uniquement pour le prototypage jusqu'à la fabrication directe. La construction par couches combinée à une liberté de conception sans précédent séduit de nombreux secteurs, par exemple l'aérospatiale et l'ingénierie médicale. La fabrication sans outil est particulièrement avantageuse, par exemple en termes d'individualisation, les productions en petits lots et l'optimisation avancée de la topologie étant de la plus haute importance pour les pièces légères1.

Les conditions de refroidissement inhérentes au procédé et la dynamique du bain de fusion, respectivement, dans le procédé PBF-LB/M aboutissent souvent à des microstructures uniques ; cependant, les caractéristiques avantageuses s’accompagnent généralement de contraintes résiduelles néfastes et de défauts de matériaux comme la porosité2,3,4. Les contraintes élevées peuvent être attribuées aux petites tailles de bassins de fusion et aux vitesses de refroidissement élevées. La porosité provient souvent de combinaisons inappropriées de paramètres de procédé ou peut être introduite par la poudre elle-même. Portés par différents secteurs industriels, l'alliage de titane Ti6Al4V, le superalliage à base de nickel Inconel 718 (IN718) et l'acier inoxydable austénitique 316L ont fait l'objet de nombreuses études et les relations processus-propriétés pertinentes ont été étudiées en détail5,6,7,8. Au cours des dernières années, la gamme d'alliages traités par les technologies de fabrication additive s'est rapidement élargie : par exemple, les alliages d'aluminium, les aciers à outils et même les matériaux intelligents ont fait l'objet de recherches9,10,11,12,13. Les métaux FA peuvent être caractérisés par des propriétés mécaniques différentes de celles de leurs homologues fabriqués de manière conventionnelle, par exemple une résistance accrue ou même une modification du module d'Young14,15. Dans le procédé PBF-LB/M, la microstructure telle que construite des alliages de type 316L a tendance à développer des grains grossiers. Ces grains, principalement allongés dans la direction de construction (BD), conduisent au développement d'une orientation cristallographique privilégiée, aboutissant finalement à des propriétés mécaniques anisotropes . Le développement de telles microstructures anisotropes est principalement attribué au flux de chaleur directionnel, à la solidification/croissance épitaxiale et au refroidissement rapide ainsi qu'à l'absence de toute transformation de phase au sein du processus de refroidissement. Une évolution microstructurale similaire, c'est-à-dire des grains grossiers et une texture forte, a également été montrée pour l'IN718 traité par PBF-LB/M et par fusion de métaux sur lit de poudre par faisceau d'électrons (PBF-EB/M)18,19. Les aciers austénitiques à gros grains présentent généralement une ductilité élevée aux dépens de la résistance. Cependant, le 316L fabriqué de manière additive présente une limite d'élasticité (YS) nettement supérieure, combinée à une ductilité élevée, par rapport à ses homologues fabriqués de manière conventionnelle. Ceci est attribué aux structures de sous-grains qui finissent par augmenter la résistance conformément à la relation Hall-Petch20. Par conséquent, PBF/LB-M représente un processus prometteur pour surmonter le compromis résistance-ductilité21,22.