Etude sur fusion laser sélective de matériau céramique Zircone Yttriée

par Qi Liu

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Hanlin Liao.

Soutenue le 05-11-2013

à Belfort-Montbéliard , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec IRTES. LERMPS (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Gremillard.

Le jury était composé de Hanlin Liao, Laurent Gremillard, Eric Boillat, Pascal Mognol, Christian Coddet.

Les rapporteurs étaient Eric Boillat, Pascal Mognol.


  • Résumé

    La fusion sélective par laser est un procédé de la technologie de fabrication rapide de plus en plus utilisé dans l’industrie automobile, aéronautique, médicale, etc. Selon le principe de la fabrication rapide, la pièce est fabriquée couche par couche en fusionnant et soudant les particules fines par laser. Actuellement, les principaux matériaux utilisés sont les métaux métalliques ou les polymères. Le faible ou modeste point de fusion de ces matériaux conduit à une mise en œuvre par laser relativement facile. Cependant, en raison de leur point de fusion élevé, de la forte résistance à haute température et de la faible conductivité thermique, l’utilisation de matériaux céramiques est limitée dans la technologie de fusion laser sélective. Cette étude explore la fusion laser sélective de zircone stabilisée par yttrine avec un laser à fibre de longueur d’onde d’environ 1 µm. L’influence de différentes puissances de laser et de différentes vitesses de balayage sur la microstructure et la déformation de l’échantillon a été étudiée, et la densité relative et la microdureté ont été mesurées. Notamment, l’effet de différentes températures de préchauffage sur la microstructure sera étudié. En même temps, la structure cristalline céramique et la transformation des phases pendant le procédé de prototypage rapide ont été analysées. Les résultats expérimentaux montrent qu’il est possible de fondre complètement de la poudre YSZ avec un laser à fibre NIR, et avec l’optimisation des paramètres de fabrication, la densité relative de l’échantillon peut atteindre 91 %. Il est inévitable de voir se former des fissures et des pores dans les pièces fabriquées du fait de l’hétérogénéité de la distribution de l’énergie du laser. Cette distribution de l’énergie peut être améliorée grâce à l’optimisation des paramètres ; les longueurs de fissure peuvent être contrôlées et maîtrisées par un préchauffage du lit de poudre. Notamment, à haute température (1500°C, 2000°C et 2500°C) de préchauffage, la fissure verticale continue devient désordonnée et courte. Une transformation de la structure monoclinique et cubique en structure tétragonale s’est produite pendant le processus de fabrication.

  • Titre traduit

    Study on Selective Laser Melting of ceramic material Yttria Stabilized Zirconia


  • Résumé

    Selective laser melting is a rapid manufacturing process coming from the rapid prototyping technology, which is widely used in the automotive, aeronautical, medical industry etc. According to the principle of rapid manufacturing, the piece is manufactured layer by layer through the laser sintering or melting the fine powder. Currently, the main powder materials used are metal or polymer materials. The low melting point of these materials facilitates the melting process. However, duo to the high melting point, strong strength at high temperature and low thermal conductivity the application of ceramic materials is limited in the technology of selective laser melting. In this study, selective laser melting of the ceramic yttria stabilized zirconia by a 1μm wavelength fiber laser was explored. The influence of different laser powers and different scanning velocities on the microstructure and the deformation were analyzed, then the micro-hardness and relative density were measured. In particular, the effect of different preheat temperatures on microstructure was investigated. At the same time, the crystal structure and phase transformation during the fabrication were analyzed. Experimental results show that YSZ powder can be completely melted by the near IR fiber laser. With the optimization of the manufacturing parameters, the relative density of sample could reach 91 %. The forming of cracks and pores in the manufactured parts is rarely avoid due to the heterogeneity of distribution of energy. The energy distribution could be improved by optimizing the parameters and the crack lengths can be controlled by preheating the powder bed. In particular, the high temperature (1500 ℃, 2000 ℃ and 2500 ℃) lead the continuous vertical crack becomes messy and short. The transformation of monoclinic and cubic crystal to tetragonal crystal can be observed during the fabrication.


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