Contrôle de la microstructure de l’Inconel 718 élaboré par le procédé L PBF

Depuis plus d’une vingtaine d’années, la fabrication additive (FA) métallique est suivie de près par la communauté scientifique et l’industrie. De nombreux procédés additifs ont été développés ou adaptés à partir de procédés plus traditionnels tels que le soudage laser multi-passes, la réparation laser, la micro-fusion laser ou encore la solidification dirigée.

La fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) est l’un des procédés de fabrication additive les plus populaires dans l’industrie. La plupart de ces procédés de FA possèdent des caractéristiques métallurgiques communes : notamment, une microstructure composée de longs grains colonnaires associés à une forte texture cristallographique, et donc à des propriétés mécaniques anisotropes. Le procédé L-PBF de fabrication couche par couche associé à un gradient thermique et une vitesse de solidification élevés, se caractérise par une forte dilution entraînant une croissance épitaxiale à travers plusieurs couches, figure 1.

 

 

L’objectif de la thèse est de produire des pièces isotropes (microstructure équiaxe), mais surtout d’adapter les microstructures de certaines zones d’une même pièce FA aux sollicitations en service.

Afin d’atteindre cet objectif, les mécanismes de variation de la microstructure en FA (Transition Colonnaire-Equiaxe, TCE) ont été recherchés au travers de la littérature. Les trois principaux mécanismes sont : la diminution du gradient thermique, l’inhibition de la croissance épitaxiale transversale et axiale et la maximisation du rapport d’élancement () à la surface du bain de fusion.

À la suite d’une étude approfondie sur la morphologie du bain, des stratégies de balayage par bandes fines ont été développées pour actionner ces mécanismes. L’impact de la largeur de bande, W_s [mm], sur la taille de grains est représenté à la figure 2.

 

La diminution de la largeur de bande conduit à une distribution de taille de grains moins large et d’amplitude plus grande, indépendamment de la méthode de calcul de la taille des grains et de la direction d’observation. Le long de BD, la taille maximale des grains selon l’aire et le nombre de grains est de 120 µm et 30 µm à 220 µm et 45 µm lorsque W_s varie de 0,5 mm à 1,5 mm. Dans une moindre mesure, une tendance similaire est observée selon TD : une largeur de bande de 0,5 mm conduit à des tailles maximales des grains selon l’aire et le nombre de grains de 85 µm et 25 µm, respectivement, et de 125 µm et 35 µm pour une largeur de bande de 1,5 mm.

La stratégie de bande de 0,5 mm induit la plus fine taille de grains avec une texture cristallographique très peu prononcée. Elle a donc été retenue pour la construction d’un cube comprenant une variation de microstructure colonnaire-équiaxe. La partie inférieure du cube a été construite avec un remplissage bidirectionnel classique et la partie supérieure avec la stratégie par bandes de fine largeur de 0,5 mm. La figure 3 représente la cartographie EBSD IPF et la texture selon le sens de construction (BD) du cube.

Au sein du même cube à l’interface de deux microstructures différentes (colonnaire-équiaxe), la taille de grains est divisée par un facteur 2,2, la densité de grains est augmentée d’un facteur 2,9 et l’indice de texture moyen est diminué d’un facteur 3. Ces grandeurs attestent bien de deux morphologies de microstructures distinctes, l’une isotrope (partie supérieure du cube) et l’autre anisotrope (partie inférieure du cube).

Ces résultats sont de bons augures pour introduire cette variation de microstructures au sein d’une pièce industrielle qui constituera le « proof of concept » de la thèse.