Laser Metal Deposition d’alliages Aluminium-Cuivre pour la Réparation

Laser Metal Deposition of Aluminium-Copper alloys for Repair applications

• Auteur / Autrice : Stéphane Touzé
• Direction : Jean-Yves Hascoët, Matthieu Rauch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 16/09/2019
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Peyre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Hascoët, Matthieu Rauch, Patrice Peyre, Anne-Marie Habraken, Yann Quinsat, Lucas Dembinski, Philippe Spilers
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Marie Habraken, Yann Quinsat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réparations

Prototypage rapide

Alliages aluminium-cuivre

Fonderie

Mots clés libres

Fabrication additive

Laser Metal Deposition

Réparation

Aluminium

Additive manufacturing

Laser Metal Deposition

Repair

Aluminium alloys

Résumé

Ce travail de thèse vise à démontrer la faisabilité de la réparation de pièces de fonderie à haute performance et haute valeur ajoutée faites d’un alliage aluminiumcuivre en utilisant un procédé de fabrication additive métallique par projection de poudre avec fusion laser dénommé Laser Metal Deposition. Ces alliages présentent notamment une faible soudabilité et ne peuvent donc être réparés de façon fiable par des procédés traditionnels de soudage à l’arc. Afin de permettre l’utilisation de ce procédé innovant pour la réparation de pièces en alliage Al-Cu, des difficultés majeures ont dû être levées en ce qui concerne notamment la coulabilité des poudres Al-Cu et leur comportement en fusion et en solidification, ainsi que la méthodologie de réparation pour effectuer l’opération de façon fiable et efficace. Des travaux expérimentaux, théoriques et numériques ont permis d’élucider ces aspects et in fine de permettre l’utilisation de ce matériau avec ce procédé de fabrication additive. Une méthode de réparation comprenant un algorithme de segmentation robuste a également été développée et mise en oeuvre afin d’automatiser le processus de réparation en permettant la génération de trajectoire sur la base de mesures 3D in-situ. Des réparations de pièces de fonderie en aluminium-cuivre ont ainsi pu être effectuées avec le procédé Laser Metal Deposition, et les analyses métallographiques montrent que les rechargements effectués avec ce procédé offrent une microstructure très fine avec un taux de ségrégation chimique limité et peu de fissuration à chaud.

The present thesis aims at demonstrating the feasibility of repairing high performance castings made of an aluminiumcopper alloy using the Laser Metal Deposition metal additive manufacturing process. These alloys present a low weldability and thus cannot be reliably repaired with manual arc-welding processes. To instead use this innovative additive manufacturing process for repair applications and thereby improve upon current methods, major challenges had to be overcome regarding the flowability and solidification behavior of this aluminium alloy powder as well as the overall methodology to reliably and efficiently perform the repair operation. Experimental, theoretical and numerical studies allowed to elucidate some of these aspects and eventually enabled the use of a 224.0 casting aluminium alloy with the Laser Metal Deposition metal additive manufacturing process. A repair methodology including a robust segmentation algorithm was also developped to automate the repair process and permit the generation of toolpaths based on raw in-situ 3D scanning measurements. Repairs of high performance aluminium-copper castings were carried out successfully as no major lack of fusion, bonding or cracking defects were observed. A metallographic analysis showed that the aluminium deposits obtained by Laser Metal Deposition generally offer a refined microstructure with limited solute segregation and hot cracking.