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FR2980380A1 - Strategie de fabrication d'une piece metallique par fusion selective d'une poudre - Google Patents

Strategie de fabrication d'une piece metallique par fusion selective d'une poudre Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique, réalisée couche par couche par dépôt d'une couche de poudre métallique (2) sur un support (6) ou sur une partie déjà réalisée de la pièce, puis par fusion sélective de la couche de poudre par balayage de la surface de la couche de poudre par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons (11), une couche de la pièce étant obtenue après solidification de la couche de poudre fondue. Pour chaque couche de la pièce ainsi réalisée, le procédé comprend au moins deux balayages successifs d'une même zone de la couche de poudre par le faisceau laser ou le faisceau d'électrons (11).

Description

Stratégie de fabrication d'une pièce métallique par fusion sélective d'une poudre La présente invention concerne un procédé de fabrication couche par couche d'une pièce métallique par fusion sélective d'une poudre à l'aide d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons, un tel procédé étant également connu sous les noms de Direct Metal Laser Sintering ou Electron Beam Melting. On connaît une technique qui consiste à fabriquer une pièce par fusion de couches successives de poudre au moyen d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons commandé par un système de traitement de l'information dans lequel on a enregistré les coordonnées tridimensionnelles des points des couches successives à réaliser. De façon pratique, on dispose dans une cuve dont le fond est formé par un plateau mobile en translation, une première couche de poudre à l'aide d'un racleur. La couche présente alors une surface inférieure correspondant à la surface du plateau et une surface supérieure sur laquelle est dirigé et déplacé le faisceau laser ou le faisceau d'électrons. L'énergie apportée par ce faisceau provoque la fusion locale de la poudre qui, en se solidifiant, forme une première couche de la pièce métallique. Après formation de cette première couche, le plateau est descendu d'une distance correspondant à l'épaisseur d'une couche, puis une seconde couche de poudre est amenée par le racleur sur la couche précédente. De la même manière que précédemment, une seconde couche de la pièce métallique est formée à l'aide du faisceau. Ces opérations sont répétées jusqu'à fabrication complète de la pièce. Un tel procédé permet de réduire les temps de fabrication des pièces d'environ 30%, par rapport à un usinage classique.
On a toutefois constaté que les pièces fabriquées à l'aide d'un tel procédé peuvent ne pas présenter les caractéristiques mécaniques recherchées. Des études menées par la Demanderesse ont permis de constater que le matériau de ces pièces n'est pas toujours suffisamment dense et peut être fissuré et/ou peut présenter une quantité de porosités trop importante. La taille de ces pores doit être la plus faible possible pour réduire les risques d'amorce de fissure qu'ils constituent. Plus les amorces de fissures sont grandes, plus les fissures générées peuvent se propager et endommager gravement la pièce, en particulier si cette dernière est soumise à des sollicitations telles qu'une fatigue vibratoire ou oligocyclique. Dans le cas de la fusion sélective à l'aide d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons, plus l'énergie du faisceau est importante, plus le matériau obtenu après solidification du bain de poudre fondue est dense. Cependant, un faisceau dont l'énergie est élevée génère des gradients thermiques importants en avant et en arrière du bain liquide obtenu par fusion, ce qui peut générer des fissures qui dégradent les propriétés mécaniques de la pièce, en particulier si le matériau est sensible à la fissuration tel que le René 77, le TiAI, etc... Le matériau des pièces obtenues par un tel procédé peut également présenter une hétérogénéité relativement importante, ce qui est défavorable en termes de propriétés mécaniques.
L'objectif recherché est d'obtenir des pièces dont le matériau est le plus dense possible, avec des porosités les plus petites possibles, sans pour autant présenter de fissures. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes.
A cet effet, elle propose un procédé de fabrication d'une pièce métallique, réalisée couche par couche par dépôt d'une couche de poudre métallique sur un support ou sur une partie déjà réalisée de la pièce, puis par fusion sélective de la couche de poudre par balayage de la surface de la couche de poudre par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons, une couche de la pièce étant obtenue après solidification de la couche de poudre fondue, caractérisé en ce que, pour chaque couche de la pièce ainsi réalisée, le procédé comprend au moins deux balayages successifs d'une même zone de la couche de poudre par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons. Alors qu'auparavant, la couche de poudre n'était balayée qu'une seule fois par le faisceau, l'invention propose donc de réaliser deux balayages successifs de cette couche. Ceci permet de mieux contrôler le procédé de fabrication, de réduire les risques de fissuration et de générer des couches de matière de plus grande densité sans provoquer de gradients thermiques trop importants, ainsi que d'homogénéiser le matériau des pièces ainsi fabriquées. De préférence, les deux balayages successifs de la même zone sont réalisés avec des faisceaux laser ou d'électrons d'énergie différente. En particulier, le premier balayage peut être effectué avec un faisceau laser ou un faisceau d'électrons dont l'énergie est, par rapport à celle dudit faisceau qui assure le balayage suivant : - soit inférieure, afin de préchauffer la poudre pour réduire le gradient thermique au passage du deuxième balayage qui créé la fusion ; - soit supérieure, afin d'obtenir une double fusion.
Chaque balayage peut ainsi être réalisé à l'aide d'un faisceau ayant une énergie adaptée à l'effet recherché. Le premier balayage permet par exemple d'obtenir la bonne densité du matériau ainsi que la taille de porosité recherchée. Le second balayage peut alors être effectué avec une énergie moindre, sans détruire l'effet du premier balayage car la poudre a déjà été fondue. Ce second balayage permet d'accroître l'homogénéité du matériau et abaisse le niveau de contraintes résiduelles du matériau. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour obtenir un état de surface moins rugueux, la périphérie de la pièce est balayée deux fois par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons dont l'énergie est inférieure à celle utilisée pour balayer le coeur de la pièce.
Dans un premier mode d'exécution du procédé selon l'invention, on réalise un premier balayage complet de la couche de poudre à l'aide d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons avant d'effectuer au moins un second balayage complet de la zone précédemment balayée à l'aide du faisceau laser ou du faisceau d'électrons. Ce premier mode permet de n'utiliser qu'une seule source laser qui réalise deux balayages complets, l'un après l'autre. Dans un second mode d'exécution de ce procédé, on réalise un balayage de la couche de poudre à l'aide d'un premier et d'un second faisceau, au moins, déplacés en synchronisme et décalés l'un par rapport à l'autre de façon à ce que la trajectoire du second faisceau suive, au moins partiellement, celle du premier faisceau. Ce second mode d'exécution permet de réaliser des pièces avec un temps de cycle très faible.
Dans le cadre du second mode d'exécution, les deux faisceaux peuvent être produits par une même source, dont le faisceau a été divisé en au moins deux parties, ou par deux sources distinctes. Il est à noter que l'utilisation d'une seule source permet d'obtenir deux faisceaux d'énergies différentes.
Avantageusement, la poudre est en superalliage à base Nickel, la granulométrie moyenne de la poudre étant comprise entre 40 et 45 lm, le premier balayage de la couche de poudre étant réalisé à l'aide d'un faisceau laser d'énergie linéaire comprise entre 0,22 et 0,26 Watt.s/mm, le second balayage étant réalisé à l'aide d'un faisceau laser d'énergie comprise entre 0,11 et 0,13 Watt.s/mm. En outre, pour améliorer l'état de surface, la périphérie de la pièce peut être balayée par un premier faisceau laser dont l'énergie linéaire est comprise entre 0,14 et 0,18 Watt.s/mm, puis par un second faisceau laser dont l'énergie est comprise 0,09 et 0,11Watt.s/mm.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une installation de fusion sélective de poudre ; - les figures 2 à 4 sont vues d'une partie de l'installation, selon trois variantes de réalisation de l'invention. La figure 1 représente une installation de fusion sélective de poudre utilisée pour la fabrication de pièces telles par exemple que des aubes de turbomachine. Cette installation comporte un réservoir 1 contenant une poudre métallique 2 et dont le fond 3 est mobile et déplaçable en translation verticale par une tige 4 d'un vérin, et une cuve voisine 5 dont le fond est constitué par un plateau mobile 6, également déplaçable en translation verticale par une tige 7 d'un vérin. L'installation comporte en outre un racleur 8 permettant d'amener de la poudre du réservoir 1 vers la cuve 5, par déplacement dans un plan horizontal A, et des moyens de génération 9 d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons, couplés à un dispositif 10 commandé par ordinateur pour orienter et déplacer le faisceau 11. Un bac de réception 12 de la poudre excédentaire 13, adjacent à la cuve 5, peut également être prévu.
Le fonctionnement de cette installation est le suivant. Tout d'abord, le fond 3 du réservoir 1 est déplacé vers le haut de manière à ce qu'une certaine quantité de poudre 2 soit située au-dessus du plan horizontal A. Le racleur 8 est déplacé de la gauche vers la droite, de manière à racler ladite couche de poudre 2 dans le réservoir 1 et déposer une couche mince de poudre métallique sur la surface plane horizontale du plateau 6. La quantité de poudre 2 et la position du plateau 6 sont déterminées de façon à former une couche de poudre d'une épaisseur choisie et constante.
Dans un premier mode d'exécution du procédé, un faisceau laser 11 ou un faisceau d'électrons, perpendiculaire au plan A, balaye une première fois une zone déterminée de la couche de poudre formée dans la cuve 5, de manière à la préchauffer ou la faire fondre localement. Les zones fondues se solidifient ensuite en formant une première couche de matière 14, cette couche ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de 10 à 200 pm. Cette couche est ensuite balayée une seconde fois par le faisceau laser 11 ou par le faisceau d'électrons. Dans ce cas, il est donc procédé à un premier balayage complet de la couche de poudre à l'aide d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons avant d'effectuer au moins un second balayage complet de la zone précédemment balayée à l'aide d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons. Une seule source laser ou d'électrons 9 peut être utilisée pour la mise en oeuvre d'un tel procédé, comme cela est illustré schématiquement à la figure 2.
En variante, il est également possible de procéder à un balayage de la couche de poudre à l'aide d'un premier et d'un second faisceaux 11a, 11b, déplacés simultanément en synchronisme et décalés l'un par rapport à l'autre de façon à ce que la trajectoire du second faisceau 11 b suive, au moins partiellement, celle du premier faisceau 11 a.
Dans un tel cas, les deux faisceaux 11a, llb peuvent être produits par deux sources 9 distinctes (figure 3), ou par une seule source 9 dont le faisceau a été divisée en deux parties par un système optique bifocal 15 ou par tout autre moyen de séparation du faisceau (figure 4), chacun des deux faisceaux étant ensuite piloté par un dispositif de balayage et/ou par un montage optique 16 distinct afin d'obtenir le balayage et l'énergie escomptés. Selon l'invention, les deux balayages successifs de la même zone sont réalisés avantageusement avec des faisceaux laser ou d'électrons d'énergies différentes. En particulier, le premier balayage est effectué avec 30 un faisceau laser ou un faisceau d'électrons dont l'énergie est, par rapport à celle dudit faisceau lors du balayage suivant, soit inférieure (préchauffage), soit supérieure (double fusion). En outre, la périphérie de la pièce est avantageusement balayée successivement par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons dont l'énergie est inférieure à celle utilisée pour balayer le coeur de la pièce. A titre d'exemple, dans le cas où la poudre est en superalliage à base Nickel et où la granulométrie moyenne de la poudre est comprise entre 40 et 45 lm, le premier balayage de la couche de poudre est réalisé à l'aide d'un faisceau laser d'énergie comprise entre 0,22 et 0,26 10 Watt.s/mm, le second balayage de la couche de poudre étant réalisé à l'aide d'un faisceau laser d'énergie comprise entre 0,11 et 0,13 Watt.s/mm. Dans ce cas également, la périphérie de la pièce est balayée par un premier faisceau laser dont l'énergie est comprise entre 0,14 et 0,18 Watt.s/mm, puis par un second faisceau laser dont l'énergie est comprise 15 entre 0,09 et 0,11 Watt.s/mm. La périphérie présente par exemple une largeur comprise entre 50 et 100 lm. L'épaisseur de chaque couche de la pièce est comprise entre 10 et 45 pm, respectivement entre 45 et 150 pm, lorsque la poudre est fondue à 20 l'aide d'un faisceau laser ou respectivement à l'aide d'un faisceau d'électrons. Les couches minces sont privilégiées car elles permettent de contrôler la rugosité. Une fois qu'une première couche de la pièce a été réalisée, le plateau 6 est descendu puis une seconde couche de poudre est amenée, 25 de la même manière que précédemment, sur la première couche de poudre. Ces opérations sont répétées jusqu'à la formation complète de la pièce. Les couches présentent sensiblement la même épaisseur. Dans le cas où la pièce est construite couche par couche par 30 fusion sélective de la poudre à l'aide d'un faisceau laser, la poudre présente une taille de grain moyenne comprise entre 10 et 50 lm, préférentiellement comprise entre 40 et 45 i_tm. Dans le cas où la pièce est construite couche par couche par fusion sélective de la poudre à l'aide d'un faisceau d'électrons, la poudre présente une taille de grain moyenne comprise entre 50 et 100 lm. Le procédé selon l'invention permet de générer des pièces de plus grande densité sans provoquer de gradients thermiques trop importants, et d'homogénéiser le matériau des pièces ainsi fabriquées. En outre, les pièces réalisées à l'aide de ce procédé n'ont pas nécessairement besoin de subir une opération supplémentaire de traitement thermique et/ou de compactage isostatique à chaud, ce qui est un gain évident en termes de temps et de coût du cycle de fabrication.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce métallique, réalisée couche par couche par dépôt d'une couche de poudre métallique (2) sur un support (6) ou sur une partie déjà réalisée de la pièce, puis par fusion sélective de la couche de poudre par balayage de la surface de la couche de poudre par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons (11), une couche de la pièce étant obtenue après solidification de la couche de poudre fondue, caractérisé en ce que, pour chaque couche de la pièce ainsi réalisée, le procédé comprend au moins deux balayages successifs d'une même zone de la couche de poudre par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons (11).
  2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux balayages successifs de la même zone sont réalisés avec des faisceaux laser ou d'électrons (11) d'énergies différentes.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier balayage est effectué avec un faisceau laser ou un faisceau d'électrons (11) dont l'énergie est, suivant l'effet recherché, soit inférieure, soit supérieure à celle dudit faisceau (11) lors du balayage suivant.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la périphérie de la pièce est balayée par un faisceau laser ou un faisceau d'électrons (11) dont l'énergie est inférieure à celle utilisée pour balayer le coeur de la pièce.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on réalise un premier balayage complet de la couche de poudre à l'aide d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons (11) avant d'effectuer au moins un second balayage complet de la zone précédemment balayée à l'aide d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons (11).
  6. 6. Procédé selon la revendication 1 à 4, caractérisé en ce qu'on réalise un balayage de la couche de poudre à l'aide d'un premier et d'un second faisceaux (11a, 11b), au moins, déplacés simultanément ensynchronisme et décalés l'un par rapport à l'autre de façon à ce que la trajectoire du second faisceau (11b) suive, au moins partiellement, celle du premier faisceau (11a).
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux 5 faisceaux sont produits par une même source (9), dont le faisceau a été divisé en au moins deux parties.
  8. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux faisceaux (11a, 11b) sont produits par deux sources (9) distinctes.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce 10 que la poudre (2) est en superalliage à base Nickel, la granulométrie moyenne de la poudre (2) étant comprise entre 40 et 45 lm, le premier balayage de la couche de poudre étant réalisé à l'aide d'un faisceau laser (11) d'énergie comprise entre 0,22 et 0,26 Watt.s/mm, le second balayage étant réalisé à l'aide d'un faisceau laser (11) d'énergie comprise en 0,11 et 15 0,13 Watt. s/mm.
  10. 10. Procédé selon les revendications 4 et 9, caractérisé en ce que la périphérie de la pièce est balayée par un premier faisceau laser (11) dont l'énergie est comprise entre 0,14 et 0,18 Watt.s/mm, puis par un second faisceau laser (11) dont l'énergie est comprise entre 0,09 et 0,11 20 Watt. s/m m.
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