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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
2
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.
12
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
20
Petites fossettes
Grandes fossettes
A
Fe Fe/SiC micro Fe/SiC micro et nano
Surfaces de rupture en traction
21
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
Directeur de thèse : Christian CODDET
2013.05.06
Fabrication de composite à matrice métallique
par fusion laser sélective
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