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Apr 12, 2024

Conception contre les hétérogénéités de phase et de propriétés dans les alliages de titane fabriqués de manière additive

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4660 (2022) Citer cet article 11k Accès 19 Citations 4 Détails d'Altmetric Metrics La fabrication additive (FA) crée des pièces conçues numériquement en

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4660 (2022) Citer cet article

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La fabrication additive (FA) crée des pièces conçues numériquement par ajout successif de matière. Cependant, en raison des cycles thermiques intrinsèques, les pièces métalliques produites par FA souffrent presque inévitablement d'hétérogénéités spatiales en termes de phases et de propriétés mécaniques, ce qui peut provoquer des pannes de service imprévisibles. Ici, nous démontrons une approche synergique de conception d’alliages pour surmonter ce problème dans les alliages de titane fabriqués par fusion laser sur lit de poudre. La clé de notre approche réside dans l’alliage in situ de Ti−6Al−4V (en pourcentage en poids) avec des ajouts combinés de poudres de titane pur et de nanoparticules d’oxyde de fer (Fe2O3). Cela permet non seulement d'éliminer in situ l'hétérogénéité des phases en diluant la concentration de V tout en introduisant de petites quantités de Fe, mais compense également la perte de résistance due au renforcement du soluté d'oxygène. Nos alliages atteignent des microstructures spatialement uniformes et des propriétés mécaniques supérieures à celles du Ti−6Al−4V. Cette étude peut aider à orienter la conception d’autres alliages, qui non seulement surmontent le défi inhérent aux processus de fabrication additive, mais tirent également parti des opportunités de conception d’alliages offertes par la fabrication additive.

Contrairement aux processus conventionnels de fabrication de métaux tels que le moulage et l'usinage, la fabrication additive (FA) construit couche par couche la pièce conçue numériquement en faisant fondre la matière première (telle que la poudre ou le fil) avec une source d'énergie élevée (par exemple, un laser, un faisceau d'électrons ou un faisceau d'électrons). arc plasma)1,2. Cette caractéristique unique des processus de fabrication additive est une arme à double tranchant. D’une part, il offre la possibilité de produire des formes, des microstructures et des propriétés souhaitables qui ne pourraient autrement être obtenues à l’aide de méthodes de fabrication conventionnelles3,4,5,6,7,8. D'autre part, le gradient thermique intrinsèquement élevé, la vitesse de refroidissement élevée, associés à l'histoire thermique complexe généralement rencontrée lors de la fabrication additive, entraînent souvent de la porosité, une ségrégation élémentaire, des grains en colonnes et des phases hétérogènes dans la microstructure9,10,11, 12 – soit lors de la solidification, soit par des transformations ultérieures de phase solide – qui conduisent à des propriétés mécaniques non uniformes à différents endroits de la pièce métallique construite13,14,15,16,17. Les problèmes liés à la porosité, à la ségrégation élémentaire et aux grains colonnaires ont été résolus efficacement grâce à la manipulation des paramètres de traitement et/ou des compositions d'alliage18,19,20. Cependant, comme l’inhomogénéité de phase se produit presque inévitablement dans les alliages qui subissent des transformations de phase à l’état solide après solidification au cours de la fabrication additive, l’obtention de propriétés mécaniques uniformes reste un défi de longue date. De tels phénomènes sont plus prononcés dans les composants métalliques fabriqués de manière additive et présentant des géométries complexes21, qui intègrent des régions qui réagissent différemment aux charges mécaniques, provoquant ainsi des pannes de service imprévisibles.

Ti−6Al−4V est l'un des alliages typiques qui présentent une variation spatiale des phases dans la direction de la construction tout en étant fabriqués de manière additive22,23,24,25. Au cours du processus de fabrication additive, tel que la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) (Fig. 1a), une fois la première couche solidifiée, Ti−6Al−4V subit un β à l'état solide (structure cubique centrée sur le corps) → α' ( structure hexagonale fermée) transformation martensitique en raison de la vitesse de refroidissement élevée. Au fur et à mesure que les couches successives sont ajoutées, la martensite aciculaire α 'initialement formée se décompose en microstructures lamellaires (α + β) sous des cycles thermiques étendus (Fig. 1a). Par conséquent, il est communément rapporté que la microstructure de Ti−6Al−4V fabriquée par L-PBF présente des phases spatialement dépendantes le long de la direction de construction, avec de la martensite α' aciculaire sur la surface supérieure tandis que des microstructures lamellaires (α + β) partiellement ou totalement stabilisées forment dans les régions inférieures23,24,25. Une telle distribution de phase graduée est également confirmée par microscope électronique à balayage (MEB) (Fig. 1b et Fig. 1a, b supplémentaires) et par diffraction des rayons X (DRX) (Fig. 2 supplémentaire) dans ce travail (Méthodes). Pour révéler l'influence de l'inhomogénéité de phase sur les propriétés mécaniques, nous avons effectué des essais de traction des échantillons de Ti−6Al−4V produits par L-PBF dans les directions verticale et horizontale à température ambiante (Méthodes). Le Ti−6Al−4V tel que fabriqué présente une résistance similaire mais une ductilité hautement dispersée dans les deux directions (Fig. 1c). En particulier, la ductilité en traction (en termes d'allongement en traction jusqu'à rupture) dans la direction horizontale varie nettement de 9,4 % à 17,6 %, la valeur la plus faible étant observée sur la surface supérieure. Cette tendance, associée à l'analyse microstructurale détaillée (Figures supplémentaires 3 à 5 et note complémentaire 1), révèle que la distribution de phase spatiale est la cause la plus probable de la ductilité hautement dispersée observée ici. Cette observation est également cohérente avec la croyance commune selon laquelle la martensite aciculaire α' se traduit généralement par une ductilité inférieure à celle de la microstructure lamellaire (α + β) en raison de son incapacité à résister à l'initiation des fissures. Au cours de la dernière décennie, de nombreuses études ont été menées pour éliminer la martensite α 'indésirable dans le Ti−6Al−4V fabriqué de manière additive par L-PBF, basées sur la stratégie de contrôle du processus ou de conception d'alliage. La première stratégie implique généralement la manipulation du cycle thermique du L-PBF pour déclencher le traitement thermique intrinsèque (IHT)27, qui favorise la décomposition de la martensite in situ24,27. Cependant, en raison des cycles thermiques limités ou absents que subissent les couches supérieures, la martensite α 'aciculaire ne peut se décomposer que partiellement, voire subsister . Par conséquent, l’inhomogénéité des phases dans la direction du bâtiment ne peut pas être éliminée. Bien que le traitement thermique post-AM soit souvent effectué pour homogénéiser la microstructure28, il allonge malheureusement le cycle de production et influence l'efficacité des processus de FA29. Il est donc hautement souhaitable d’éliminer en premier lieu l’inhomogénéité de phase. Alternativement, l'alliage in situ de Ti−6Al−4V avec des éléments stabilisants β - par exemple Mo30 - au moyen de poudres élémentaires permet la formation d'une phase β complète, ce qui conduit à une ductilité élevée (bien qu'au détriment de la perte de résistance). Cependant, les particules d’additifs non fondues qui en résultent ou une ségrégation élémentaire dramatique peuvent soulever la préoccupation d’obtenir des propriétés mécaniques non uniformes et non reproductibles31.