Les Traitements Post-Fabrication Additive:HIP, Brasage et Nitruration

The Additive Manufacturing post-Heat Treatments: HIP, Brasing and Nitriding

5ème Séminaire Bodycote / Air Liquide, 13-14 oct. 2016, Lyon.

Patrick Jacquot

Reproduction interdite de tout ou partie de ce document sans l’accord des auteurs,

copyright: Bodycote.

Tom Enders PDG du groupe AIRBUS,

déclare le 20 mai 2016

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LA FABRICATION ADDITIVE ?

« C’est fabriquer à la fois : - une pièce, - une forme,- un design,

mais aussi: un Matériau »

La fabrication additive de pièces métalliques: Rêve ou réalité ? Evolution ou Révolution ?

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Photographies: Patrick JACQUOT

TTH sur fabrication additive

Avant HIP

Photographies: Patrick JACQUOT

TTH sur fabrication additive

Avant HIP

Photographies: Patrick JACQUOT

OUTILLAGES REFROIDIS par Conformal coolingEchangeur thermique

Moule pour injection alu

Source: IPC (ex PEP)

Acier Maraging 300, brasé, nitruré

Cette technologie concerne actuellement

de faibles volumes de production à court terme.

Toutefois, il est constaté un fort développement

principalement sur des marchés de haute valeur ajoutée (aéro, médical, spatial, défense, outillages, luxe)

avec des matériaux variés

(17-4PH, 316L, Maraging, Inconel 718 et 625, René 77, Hastelloy X, AlSi10Mg, titane T40, TA6V, Co-Cr-Mo)

TENDANCES ACTUELLES

(17-4PH, 316L, Maraging, Inconel 718 et 625, René 77, Hastelloy X, AlSi10Mg, titane T40, TA6V, Co-Cr-Mo)

et des besoins spécifiques

(design complexe, allégement, refroidissement contrôlé, texturation de surface, …)

La fabrication additive de pièces métalliques ??

C’est un process de fabrication du début du 21ème siècle

C’est aussi l’ouverture à l’usine numérique et à la fabrication à partir de processus digitalisé

C’est une révolution industrielle qui bouleverse les pratiques établies

Mais c’est aussi: Un immense challenge à relever car les enjeux sont considérables

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Mais c’est aussi: Un immense challenge à relever car les enjeux sont considérables et quoiqu’il en soit le processus est en marche

et rien ne l’arrêtera

C’est une remise en cause des modes de fabrication basés sur la fabrication soustractive

C’est une nouvelle chaîne de fabrication, de validation et de contrôle qui est à construire

C’est au final, une technologie toutefois plutôt complémentaire aux procédés actuels

La fabrication additive de pièces métalliques ??

Une méthode qui intègre plusieurs changements fondamentaux à la fois:

la conception numérique,

l’optimisation des formes 3D

et des fonctions (allégement, refroid.),

une fabrication proche des cotes finales,

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une fabrication proche des cotes finales,

un taux optimisé de matière première utilisée,

un degré élevé de liberté de forme jusqu’au plus complexe, et à moindre coût

une nouvelle métallurgie à maitriser,

une santé métallurgique à optimiser et à contrôler,

une multiplicité de stratégies de construction couche par couche

correspondant à des métallurgies différentes,

des post traitements à tester et valider….

Un processus interactif et plus complexe qu’il n’y paraît

Poudresalliages existants

ou adaptés

propriétés

Fusion sous faisceau bain liquide

Contrôle du champ

thermique

Contrôle Paramètres procédé

Puissance, vitesse

de dépôt

Structure Méthode de supportage

Stratégies de stratification

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Structure métallurgique

brute de fabrication

Solidification rapide et Mode de

refroidissementCouches /couches

supportagedes pièces

Création de gradient

thermique

Création de contraintes

stratification ou de balayage

laser

Transformations de phases

Pièces fabriquées additivepar empilements de

couches de poudre fondue

l’une après l’autre

Un processus interactif

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Paramètres Machine Fusion laser, puissance,

stratégie , vitesse …

Poudre métallique granulométrie, composition,

morphologie ...

Propriétés mécaniques

Structure Santé

Métallurgique

Microstructures et Traitements Thermiques

Microsoudagelaser

Faisceau laser

Poudre 20 – 60 µm

Couche de poudre fondue

Microstructure très fine

Mais morphologie hétérogène

Composition chimique locale inhomogène

Anisotropie importantes

TRAITEMENTS THERMIQUESMinimum : détente (laser)

Conseillé: - Remise en solution

-Recuit d’homogénéisation-Vieillissement (PH)

-Mise en solution/Trempe /revenu (Alu, nickel)-Hypertrempe (inox)

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poudre fondue

Bain de fusionLargeur: 100 µm

Épaisseur: 30-100 µm

Solidification d’une couche

Réchauffement par les couches voisines

en fusion

Gradients thermiques hétérogènes

Création de contraintes internes

importantesdes propriétésFaible ténacitéStructure sous

contraintePrésence éventuelle de microporosités

-Hypertrempe (inox)-Densification totale: HIP

(titane, base nickel)-Assemblage par brasage,

soudage FE-Durcissements superficiels (nitruration, cémentation)

Les post-traitements thermiquesLes buts recherchés

1) Relaxation des contraintes internes:- Suppression du risque de fissuration prématurée ou différée

- Maitrise des déformations de la pièce finale

2) Amélioration de la microstructure des alliages- Limitation de l’anisotropie

- Homogénéisation de la structure

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3) Augmentation des propriétés mécaniques - Atteindre les caractéristiques requises pour l’utilisation

- Résistance à la traction, allongement à rupture, résilience, tenue en fatigue

4) Faciliter les opérations de finition de surface- par des méthodes mécaniques ou chimiques

5) Assurer une densification interne totale - garant d’une grande fiabilité à l’emploi ou du respect des règles de sécurité

(aéronautique, médical)

Le détensionnement - la relaxation des contraintes

Origine des contraintes résiduelles:

Elles proviennent d’alternance de cycles thermiques et de la création d’importants gradients thermiques

se produisant au sein de la pièce au cours de sa fabrication.

Les gradients de température induisent des déformations plastiques hétérogènes

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des déformations plastiques hétérogèneset de ce fait des contraintes résiduelles.

Les contraintes thermiques générées

par les cycles d’expansion et de contraction des couches solidifiées

peuvent dépasser la limite élastique du matériau.

Pourquoi relaxer les contraintes résiduelles ?

Les contraintes résiduelles de traction favorisent le risque de fissuration

Le détensionnement - la relaxation des contraintes

Les contraintes à l’état brut sont élevées et peuvent atteindre près de

500 MPa en traction(mesures CETIM)

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Les contraintes résiduelles de traction favorisent le risque de fissurationdirectement sur le plateau support ou lors de la séparation support / pièces,

voir après lors de l’utilisation en service des pièces.

Les contraintes génèrent aussi des déformations de forme.

Le traitement thermique de relaxation n’est pas facultatif,

il est impératif !

L’élimination des contraintes permet de remettre les pièces dans un état d’équilibre plus stable et de maitriser les déformations finales des pièces.

Marchés: Aéro, Médical, Outillages, Défense, Energie, Recherche

Matériaux: René 77, Inconel 718, 625, HX, TA6V, CoCr, alliages d’aluminium: AlSi10G,

Maraging 300, inox 316L, 17- 4 PH, 15 – 5 PH, EOS SS-CX-M290

Traitement Thermomécanique:

Compression Isostatique à Chaud CIC (HIP)

Traitement Thermique:

Détente, recuit, hypertrempe, mise en solution, vieillissement

POST-TRAITEMENTS REALISES PAR BODYCOTE

Détente, recuit, hypertrempe, mise en solution, vieillissement

Traitement Thermochimique:

Nitruration ionique, cémentation BP

Assemblage:

Brasage, soudage par faisceau d’électrons

Ex. de détensionnement réalisé sur TA6V:

On peut se référer aux normes suivantes:

-ASTM F 3001: pièces en titane issues de la fabrication additive par fusion en lit de poudre

- AMS 2801: relative aux traitements thermiques du titane

- AMS – H – 81200: idem

-Détente TA6V: 59O °C +/- 14°C , 2 h (AMS 2801)

Le détensionnement - la relaxation des contraintes

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-Détente TA6V: 59O °C +/- 14°C , 2 h (AMS 2801)

-Détente TA6V: 480 – 650 °C +/- 14°C , 1 - 4 h (AMS H - 81200)

-Ex. Détente sur base Co-Cr:600°C – 2 h

1 – Fours de Traitement Thermique sous Vide

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Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acier Maraging(X3NiCoMoTi18-9-5)

Collaboration IPC (exPEP) - Bodycote

Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acier Maraging (X3NiCoMoTi18-9-5)

Maraging brut de déposition sans et avec vieillisement à 490°C – 6 h en four sous vide

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Mono cordon 1D

Multi cordon 1D Collaboration IPC (ex PEP) - Bodycote

Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acierMaraging (X3NiCoMoTi18-9-5)

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Multi cordon structure 3D brut de déposition coupe AA et coupe BB perpendiculaire

Collaboration IPC (exPEP) - Bodycote

Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acierMaraging (X3NiCoMoTi18-9-5)

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Multi cordon structure 3D vielli coupe AA et coupe BB perpendiculaire

Collaboration PEP - Bodycote

Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acier Maraging (X3NiCoMoTi18-9-5)

Etat de surface brut de déposition ou après lasérisation de surface

23 Collaboration PEP - Bodycote

Nitruration ionique acier Maraging 300

Filiations de microdureté

700

750

800

Mic

rod

ure

té (

HV

0,1

kg

± 1

0)

Avant HIP

400

450

500

550

600

650

700

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6Profondeur (mm)

Mic

rod

ure

té (

HV

0,1

kg

± 1

0)

Mesure 1 Mesure 2

Principe du CIC - HIP

La compression isostatique à chaud (C.I.C. ou H.I.P.) consiste à combiner l’effet d’une forte pression appliquée en tous points, par un gaz neutre à une

Pression: 1000 – 2000 Bar

Température: 600 – 2000°C

Gaz: Argon

neutre à une température élevée.

Cette combinaison

permet de supprimer les

vides (retassure, porosité

interne) par déformation

plastique, puis fluage et

diffusion des atomes

ou/et des lacunes .

Equipement de Compression Isostatique à Chaud - HIP

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La compression isostatique à chaud permet :de supprimer les porosités fermées non débouchantes présentent dans les pièces fabriquées en additive , avec comme gain :

Une meilleur reproductibilité des résultats et

propriétés mécaniques

Un accroissement de la limite de fatigue, de la

ductilité

Applicable sur: aciers, base nickel,

alliages d’aluminium, cobalt chrome,

alliages de titane, céramiques

Ex. de traitement CIC sur fabrication additive

INCONEL 718 (Ni55-Cr20-Nb5-Mo3-Ti-Al)

CIC à 1160°C – 3h – 1020 Bar - Argon

TA6V: CIC à 920°C – 2h – 1000 Bar - Argon

27Avant HIP Aprés HIP

Aprés HIP

Ex. de trait. CIC sur fabrication additive –TA6V

Avant HIP

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Avant HIP

Avant HIP

Avant HIP

Ex. CIC sur fabrication additive TA6V

Après HIPAprès HIP

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Avant HIP Avant HIP

Après HIP

Après HIP

Après HIP

Après HIP

après HIP structure α + β recristallisée

Ex. de vieillissement sur fabrication additive d’acierMaraging (X3NiCoMoTi18-9-5) après HIP

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Multi cordon structure 3D HIPée coupe AA et HIPée vieillie coupe AA

Collaboration IPC (exPEP) - Bodycote

Ex. d’assemblage par Brasage sous Vide sur fabrication additive

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Cette méthode permet de réaliser des pièces multi-matériaux

de forme très complexe et/ou de grande taille

avec possibilité de finition de surface de certaine zone critique avant assemblage

Joint brasé à base nickel de 25 – 30 µm

entre Inconel et base cobalt

Joint brasé à base or de 50 µm

entre Maraging MS1et X15 (X40CrMoVN16.2)

Conclusion

La fabrication additive de pièces industrielles se développent de façon irrémédiable, sur des pièces complexes et à forte valeur ajoutée.

La technologie nécessite encore des mises au point afin d’assurer un standard de qualité et de performance en service élevés.

De nombreuses pièces sont en développement afin d’obtenir une qualification ou surmonter des batteries de tests de validation.

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ou surmonter des batteries de tests de validation.

Les opérations de traitement thermique et thermomécanique jouent un rôle essentiel dans la chaîne de fabrication additive pour améliorer grandement, les

performances métallurgiques des microstructures produites.

Ceci nécessite la maitrise d’équipements adaptés, des qualifications spécifiques et un savoir-faire, basé sur l’expérience industrielle,

afin de garantir une prestation élevée, à un coût étudié.

Bodycote est à votre service pour vous accompagner dans cette démarche